Simulation, Design and Analysis of Air-Breathing Combined-Cycle Engines for High Speed Propulsion

Desde la aparición del turborreactor, el motor aeróbico con turbomaquinaria ha demostrado unas prestaciones excepcionales en los regímenes subsónico y supersónico bajo. No obstante, la operación a velocidades superiores requiere sistemas más complejos y pesados, lo cual ha imposibilitado la ejecución de estos conceptos. Los recientes avances tecnológicos, especialmente en materiales ligeros, han restablecido el interés por los motores de ciclo combinado. La simulación numérica de estos nuevos conceptos es esencial para estimar las prestaciones de la planta propulsiva, así como para abordar las dificultades de integración entre célula y motor durante las primeras etapas de diseño. Al mismo tiempo, la evaluación de estos extraordinarios motores requiere una metodología de análisis distinta. La tesis doctoral versa sobre el diseño y el análisis de los mencionados conceptos propulsivos mediante el modelado numérico y la simulación dinámica con herramientas de vanguardia. Las distintas arquitecturas presentadas por los ciclos combinados basados en sendos turborreactor y motor cohete, así como los diversos sistemas comprendidos en cada uno de ellos, hacen necesario establecer una referencia común para su evaluación. Es más, la tendencia actual hacia aeronaves "más eléctricas" requiere una nueva métrica para juzgar la aptitud de un proceso de generación de empuje en el que coexisten diversas formas de energía. A este respecto, la combinación del Primer y Segundo Principios define, en un marco de referencia absoluto, la calidad de la trasferencia de energía entre los diferentes sistemas. Esta idea, que se ha estado empleando desde hace mucho tiempo en el análisis de plantas de potencia terrestres, ha sido extendida para relacionar la misión de la aeronave con la ineficiencia de cada proceso involucrado en la generación de empuje. La metodología se ilustra mediante el estudio del motor de ciclo combinado variable de una aeronave para el crucero a Mach 5. El diseño de un acelerador de ciclo combinado basado en el turborreactor sirve para subrayar la importancia de la integración del motor y la célula. El diseño está limitado por la trayectoria ascensional y el espacio disponible en la aeronave de crucero supersónico. Posteriormente se calculan las prestaciones instaladas de la planta propulsiva en función de la velocidad y la altitud de vuelo y los parámetros de control del motor: relación de compresión, relación aire/combustible y área de garganta. ABSTRACT Since the advent of the turbojet, the air-breathing engine with rotating machinery has demonstrated exceptional performance in the subsonic and low supersonic regimes. However, the operation at higher speeds requires further system complexity and weight, which so far has impeded the realization of these concepts. Recent technology developments, especially in lightweight materials, have restored the interest towards combined-cycle engines. The numerical simulation of these new concepts is essential at the early design stages to compute a first estimate of the engine performance in addition to addressing airframe-engine integration issues. In parallel, a different analysis methodology is required to evaluate these unconventional engines. The doctoral thesis concerns the design and analysis of the aforementioned engine concepts by means of numerical modeling and dynamic simulation with state-of-the-art tools. A common reference is needed to evaluate the different architectures of the turbine and the rocket-based combined-cycle engines as well as the various systems within each one of them. Furthermore, the actual trend towards more electric aircraft necessitates a common metric to judge the suitability of a thrust generation process where different forms of energy coexist. In line with this, the combination of the First and the Second Laws yields the quality of the energy being transferred between the systems on an absolute reference frame. This idea, which has been since long applied to the analysis of on-ground power plants, was extended here to relate the aircraft mission with the inefficiency of every process related to the thrust generation. The methodology is illustrated with the study of a variable- combined-cycle engine for a Mach 5 cruise aircraft. The design of a turbine-based combined-cycle booster serves to highlight the importance of the engine-airframe integration. The design is constrained by the ascent trajectory and the allocated space in the supersonic cruise aircraft. The installed performance of the propulsive plant is then computed as a function of the flight speed and altitude and the engine control parameters: pressure ratio, air-to-fuel ratio and throat area.

Analysis of alternative tendering mechanisms for transportation Public-Private Partnerships

This paper describes a theoretical model based primarily on transaction costs, for comparing the various tendering mechanisms used for transportation Public-Private Partnership (PPP) projects. In particular, the model contrasts negotiated procedures with the open procedure, as defined by the current European Union legislation on public tendering. The model includes both ex ante transaction costs (borne during the tendering stage) and ex post transaction costs (such as enforcement costs, re-negotiation costs, and costs arising from litigation between partners), explaining the trade-off between them. Generally speaking, it is assumed that the open procedure implies lower transaction costs ex ante, while the negotiated procedure reduces the probability of the appearance of new contingencies not foreseen in the contract, hence diminishing the expected value of transaction costs ex post. Therefore, the balance between ex ante and ex post transaction costs is the main criterion for deciding whether the open or negotiated procedure would be optimal. Notwithstanding, empirical evidence currently exists only on ex ante transaction costs in transportation infrastructure projects. This evidence has shown a relevant difference between the two procedures as far as ex ante costs are concerned, favouring the open procedure. The model developed in this paper also demonstrates that a larger degree of complexity in a contract does not unequivocally favour the use of a negotiated procedure. Only in those cases dealing with very innovative projects, where important dimensions of the quality of the asset or service are not verifiable, may we observe an advantage in favour of the negotiated procedure. The bottom line is that we find it difficult to justify the employment of negotiated procedures in most transportation PPP contracts, especially in the field of roads. Nevertheless, the field remains open for future empirical work and research on the levels of transaction costs borne ex post in PPP contracts, as well as on the probabilities of such costs appearing under any of the procurement procedures.

Controlled time of arrival feasibility analysis

Previous research studies and operational trials have shown that using the airborne Required Time of Arrival (RTA) function, an aircraft can individually achieve an assigned time to a metering or merge point accurately. This study goes a step further and investigates the application of RTA to a real sequence of arriving aircraft into Melbourne Australia. Assuming that the actual arrival times were Controlled Time of Arrivals (CTAs) assigned to each aircraft, the study examines if the airborne RTA solution would work. Three scenarios were compared: a baseline scenario being the actual flown trajectories in a two hour time-span into Melbourne, a scenario in which the sequential landing slot times of the baseline scenario were assigned as CTAs and a third scenario in which the landing slots could be freely redistributed to the inbound traffic as CTAs. The research found that pressure on the terminal area would sometimes require aircraft to lose more time than possible through the RTA capability. Using linear holding as an additional measure to absorb extensive delays, up to 500NM (5%) of total track reduction and 1300kg (3%) of total fuel consumption could be saved in the scenario with landing slots freely distributed as CTAs, compared to the baseline scenario. Assigning CTAs in an arrival sequence requires the ground system to have an accurate trajectory predictor to propose additional delay measures (path stretching, linear holding) if necessary. Reducing the achievable time window of the aircraft to add control margin to the RTA function, had a negative impact and increased the amount of intervention other than speed control required to solve the sequence. It was concluded that the RTA capability is not a complete solution but merely a tool to assist in managing the increasing complexity of air traffic.

Analysis of pixel-mapping rounding on geometric distortion as a prediction for view synthesis distortion

We analyze the performance of the geometric distortion, incurred when coding depth maps in 3D Video, as an estimator of the distortion of synthesized views. Our analysis is motivated by the need of reducing the computational complexity required for the computation of synthesis distortion in 3D video encoders. We propose several geometric distortion models that capture (i) the geometric distortion caused by the depth coding error, and (ii) the pixel-mapping precision in view synthesis. Our analysis starts with the evaluation of the correlation of geometric distortion values obtained with these models and the actual distortion on synthesized views. Then, the different geometric distortion models are employed in the rate-distortion optimization cycle of depth map coding, in order to assess the results obtained by the correlation analysis. Results show that one of the geometric distortion models is performing consistently better than the other models in all tests. Therefore, it can be used as a reasonable estimator of the synthesis distortion in low complexity depth encoders.

Chemical and structural analysis of Eucalyptus globulus and E. camaldulensis leaf cuticles: a lipidized cell wall region

The plant cuticle has traditionally been conceived as an independent hydrophobic layer that covers the external epidermal cell wall. Due to its complexity, the existing relationship between cuticle chemical composition and ultra-structure remains unclear to date. This study aimed to examine the link between chemical composition and structure of isolated, adaxial leaf cuticles of Eucalyptus camaldulensis and E. globulus by the gradual extraction and identification of lipid constituents (cutin and soluble lipids), coupled to spectroscopic and microscopic analyses. The soluble compounds and cutin monomers identified could not be assigned to a concrete internal cuticle ultra-structure. After cutin depolymerization, a cellulose network resembling the cell wall was observed, with different structural patterns in the regions ascribed to the cuticle proper and cuticular layer, respectively. Our results suggest that the current cuticle model should be revised, stressing the presence and major role of cell wall polysaccharides. It is concluded that the cuticle may be interpreted as a modified cell wall region which contains additional lipids. The major heterogeneity of the plant cuticle makes it difficult to establish a direct link between cuticle chemistry and structure with the existing methodologies.

Wind tunnel analysis of the flow topology over complex topographies

El principal objetivo de este trabajo es aportar conocimiento para contestar la pregunta: ¿hasta que punto los ensayos en túnel aerodinámico pueden contribuir a determinar las características que afectan la respuesta dinámica de los aerogeneradores operando en terreno complejo?. Esta pregunta no es nueva, de hecho, el debate en la comunidad científica comenzó en el primer tercio del siglo pasado y aún está intensamente vivo. El método generalmente aceptado para enfrentar el mencionado problema consiste en analizar un caso de estudio determinado en el cual se aplican tanto ensayos a escala real como análisis computacionales y ensayos en túnel aerodinámico. Esto no es ni fácil ni barato. Esta es la razón por la cual desde el experimento de Askervein en 1988, los modelizadores del flujo atmosférico tuvieron que esperar hasta 2007 a que el experimento de Bolund fuese puesto en marcha con un despliegue de medios técnicos equivalentes (teniendo en cuenta la evolución de las tecnologías de sensores y computación). El problema contempla tantos aspectos que ambas experiencias fueron restringidas a condiciones de atmósfera neutra con efectos de Coriolis despreciables con objeto de reducir la complejidad. Este es el contexto en el que se ha desarrollado la presente tesis doctoral. La topología del flujo sobre la isla de Bolund ha sido estudiada mediante la reproducción del experimento de Bolund en los túneles aerodinámicos A9 y ACLA16 del IDR. Dos modelos de la isla de Bolund fueron fabricados a dos escalas, 1:230 y 1:115. El flujo de entrada en el túnel aerodinámico simulando la capa límite sin perturbar correspondía a régimen de transición (transitionally rough regime) y fue usado como situación de referencia. El modelo a escala 1:230 fue ensayado en el túnel A9 para determinar la presión sobre su superficie. La distribución del coeficiente de presión sobre la isla proporcionó una visualización y estimación de una región de desprendimiento sobre el pequeño acantilado situado al frente de la misma. Las medidas de presión instantánea con suficiente grado de resolución temporal pusieron de manifiesto la no estacionariedad en la región de desprendimiento. El modelo a escala 1:115 fue ensayado utilizando hilo caliente de tres componentes y un sistema de velocimetría por imágenes de partículas de dos componentes. El flujo fue caracterizado por el ratio de aceleración, el incremento normalizado de energía cinética turbulenta y los ángulos de inclinación y desviación horizontal. Los resultados a lo largo de la dirección 270°y alturas de 2 m y 5 m presentaron una gran similitud con los resultados a escala real del experimento de Bolund. Los perfiles verticales en las localizaciones de las torres meteorológicas mostraron un acuerdo significativo con los resultados a escala real. El análisis de los esfuerzos de Reynolds y el análisis espectral en las localizaciones de los mástiles meteorológicos presentaron niveles de acuerdo variados en ciertas posiciones, mientras que en otras presentaron claras diferencias. El mapeo horizontal del flujo, para una dirección de viento de 270°, permitió caracterizar el comportamiento de la burbuja intermitente de recirculación sobre el pequeño acantilado existente al frente de la isla así como de la región de relajación y de la capa de cortadura en la región corriente abajo de Bolund. Se realizaron medidas de velocidad con alta resolución espacial en planos perpendiculares a la dirección del flujo sin perturbar. Estas medidas permitieron detectar y caracterizar una estructura de flujo similar a un torbellino longitudinal con regiones con altos gradientes de velocidad y alta intensidad de turbulencia. Esta estructura de flujo es, sin duda, un reto para los modelos computacionales y puede considerarse un factor de riesgo para la operación de los aerogeneradores. Se obtuvieron y analizaron distribuciones espaciales de los esfuerzos de Reynolds mediante 3CHW y PIV. Este tipo de parámetros no constituyen parte de los resultados habituales en los ensayos en túnel sobre topografías y son muy útiles para los modelizadores que utilizan simulación de grades torbellinos (LES). Se proporciona una interpretación de los resultados obtenidos en el túnel aerodinámico en términos de utilidad para los diseñadores de parques eólicos. La evolución y variación de los parámetros del flujo a lo largo de líneas, planos y superficies han permitido identificar como estas propiedades del flujo podrían afectar la localización de los aerogeneradores y a la clasificación de emplazamientos. Los resultados presentados sugieren, bajo ciertas condiciones, la robustez de los ensayos en túnel para estudiar la topología sobre terreno complejo y su comparabilidad con otras técnicas de simulación, especialmente considerando el nivel de acuerdo del conjunto de resultados presentados con los resultados a escala real. De forma adicional, algunos de los parámetros del flujo obtenidos de las medidas en túnel son difícilmente determinables en ensayos a escala real o por medios computacionales, considerado el estado del arte. Este trabajo fue realizado como parte de las actividades subvencionadas por la Comisión Europea como dentro del proyecto FP7-PEOPLE-ITN-2008WAUDIT (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) dentro de la FP7 Marie-Curie Initial Training Network y por el Ministerio Español de Economía y Competitividad dentro del proyecto ENE2012-36473, TURCO (Determinación en túnel aerodinámico de la distribución espacial de parámetros estadísticos de la turbulencia atmosférica sobre topografías complejas) del Plan Nacional de Investigación (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). El informe se ha organizado en siete capítulos y un conjunto de anexos. En el primer capítulo se introduce el problema. En el capítulo dos se describen los medios experimentales utilizados. Seguidamente, en el capítulo tres, se analizan en detalle las condiciones de referencia del principal túnel aerodinámico utilizado en esta investigación. En el capítulo tres se presentan resultados de ensayos de presión superficial sobre un modelo de la isla. Los principales resultados del experimento de Bolund se reproducen en el capítulo cinco. En el capítulo seis se identifican diferentes estructuras del flujo sobre la isla y, finalmente, en el capitulo siete, se recogen las conclusiones y una propuesta de lineas de trabajo futuras. ABSTRACT The main objective of this work is to contribute to answer the question: to which extend can the wind tunnel testing contribute to determine the flow characteristics that affect the dynamic response of wind turbines operating in highly complex terrains?. This question is not new, indeed, the debate in the scientific community was opened in the first third of the past century and it is still intensely alive. The accepted approach to face this problem consists in analysing a given case study where full-scale tests, computational modelling and wind tunnel testing are applied to the same topography. This is neither easy nor cheap. This is is the reason why since the Askervein experience in 1988, the atmospheric flow modellers community had to wait till 2007 when the Bolund experiment was setup with a deployment of technical means equivalent (considering the evolution of the sensor and computing techniques). The problem is so manifold that both experiences were restricted to neutral conditions without Coriolis effects in order to reduce the complexity. This is the framework in which this PhD has been carried out. The flow topology over the Bolund Island has been studied by replicating the Bolund experiment in the IDR A9 and ACLA16 wind tunnels. Two mock-ups of the Bolund island were manufactured at two scales of 1:230 and 1:115. The in-flow in the empty wind tunnel simulating the incoming atmospheric boundary layer was in the transitionally rough regime and used as a reference case. The 1:230 model was tested in the A9 wind tunnel to measure surface pressure. The mapping of the pressure coefficient across the island gave a visualisation and estimation of a detachment region on the top of the escarpment in front of the island. Time resolved instantaneous pressure measurements illustrated the non-steadiness in the detachment region. The 1:115 model was tested using 3C hot-wires(HW) and 2C Particle Image Velocimetry(PIV). Measurements at met masts M3, M6, M7 and M8 and along Line 270°were taken to replicate the result of the Bolund experiment. The flow was characterised by the speed-up ratio, normalised increment of the turbulent kinetic energy, inclination angle and turning angle. Results along line 270°at heights of 2 m and 5 m compared very well with the full-scale results of the Bolund experiment. Vertical profiles at the met masts showed a significant agreement with the full-scale results. The analysis of the Reynolds stresses and the spectral analysis at the met mast locations gave a varied level of agreement at some locations while clear mismatch at others. The horizontal mapping of the flow field, for a 270°wind direction, allowed to characterise the behaviour of the intermittent recirculation bubble on top of the front escarpment followed by a relaxation region and the presence of a shear layer in the lee side of the island. Further detailed velocity measurements were taken at cross-flow planes over the island to study the flow structures on the island. A longitudinal vortex-like structure with high mean velocity gradients and high turbulent kinetic energy was characterised on the escarpment and evolving downstream. This flow structure is a challenge to the numerical models while posing a threat to wind farm designers when siting wind turbines. Spatial distribution of Reynold stresses were presented from 3C HW and PIV measurements. These values are not common results from usual wind tunnel measurements and very useful for modellers using large eddy simulation (LES). An interpretation of the wind tunnel results in terms of usefulness to wind farm designers is given. Evolution and variation of the flow parameters along measurement lines, planes and surfaces indicated how the flow field could affect wind turbine siting. Different flow properties were presented so compare the level of agreement to full-scale results and how this affected when characterising the site wind classes. The results presented suggest, under certain conditions, the robustness of the wind tunnel testing for studying flow topology over complex terrain and its capability to compare to other modelling techniques especially from the level of agreement between the different data sets presented. Additionally, some flow parameters obtained from wind tunnel measurements would have been quite difficult to be measured at full-scale or by computational means considering the state of the art. This work was carried out as a part of the activities supported by the EC as part of the FP7- PEOPLE-ITN-2008 WAUDIT project (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) within the FP7 Marie-Curie Initial Training Network and by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad, within the framework of the ENE2012-36473, TURCO project (Determination of the Spatial Distribution of Statistic Parameters of Flow Turbulence over Complex Topographies in Wind Tunnel) belonging to the Spanish National Program of Research (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). The report is organised in seven chapters and a collection of annexes. In chapter one, the problem is introduced. In chapter two the experimental setup is described. Following, in chapter three, the inflow conditions of the main wind tunnel used in this piece of research are analysed in detail. In chapter three, preliminary pressure tests results on a model of the island are presented. The main results from the Bolund experiment are replicated in chapter five. In chapter six, an identification of specific flow strutures over the island is presented and, finally, in chapter seven, conclusions and lines for future works related to the presented one are included.

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

En la actualidad existe un gran conocimiento en la caracterización de rellenos hidráulicos, tanto en su caracterización estática, como dinámica. Sin embargo, son escasos en la literatura estudios más generales y globales de estos materiales, muy relacionados con sus usos y principales problemáticas en obras portuarias y mineras. Los procedimientos semi‐empíricos para la evaluación del efecto silo en las celdas de cajones portuarios, así como para el potencial de licuefacción de estos suelos durantes cargas instantáneas y terremotos, se basan en estudios donde la influencia de los parámetros que los rigen no se conocen en gran medida, dando lugar a resultados con considerable dispersión. Este es el caso, por ejemplo, de los daños notificados por el grupo de investigación del Puerto de Barcelona, la rotura de los cajones portuarios en el Puerto de Barcelona en 2007. Por estos motivos y otros, se ha decidido desarrollar un análisis para la evaluación de estos problemas mediante la propuesta de una metodología teórico‐numérica y empírica. El enfoque teórico‐numérico desarrollado en el presente estudio se centra en la determinación del marco teórico y las herramientas numéricas capaces de solventar los retos que presentan estos problemas. La complejidad del problema procede de varios aspectos fundamentales: el comportamiento no lineal de los suelos poco confinados o flojos en procesos de consolidación por preso propio; su alto potencial de licuefacción; la caracterización hidromecánica de los contactos entre estructuras y suelo (camino preferencial para el flujo de agua y consolidación lateral); el punto de partida de los problemas con un estado de tensiones efectivas prácticamente nulo. En cuanto al enfoque experimental, se ha propuesto una metodología de laboratorio muy sencilla para la caracterización hidromecánica del suelo y las interfaces, sin la necesidad de usar complejos aparatos de laboratorio o procedimientos excesivamente complicados. Este trabajo incluye por tanto un breve repaso a los aspectos relacionados con la ejecución de los rellenos hidráulicos, sus usos principales y los fenómenos relacionados, con el fin de establecer un punto de partida para el presente estudio. Este repaso abarca desde la evolución de las ecuaciones de consolidación tradicionales (Terzaghi, 1943), (Gibson, English & Hussey, 1967) y las metodologías de cálculo (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) hasta las contribuciones en relación al efecto silo (Ranssen, 1985) (Ravenet, 1977) y sobre el fenómeno de la licuefacción (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). Con motivo de este estudio se ha desarrollado exclusivamente un código basado en el método de los elementos finitos (MEF) empleando el programa MATLAB. Para ello, se ha esablecido un marco teórico (Biot, 1941) (Zienkiewicz & Shiomi, 1984) (Segura & Caron, 2004) y numérico (Zienkiewicz & Taylor, 1989) (Huerta & Rodríguez, 1992) (Segura & Carol, 2008) para resolver problemas de consolidación multidimensional con condiciones de contorno friccionales, y los correspondientes modelos constitutivos (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fiu & Liu, 2011). Asimismo, se ha desarrollado una metodología experimental a través de una serie de ensayos de laboratorio para la calibración de los modelos constitutivos y de la caracterización de parámetros índice y de flujo (Castro, 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies, 2006). Para ello se han empleado arenas de Hostun como material (relleno hidráulico) de referencia. Como principal aportación se incluyen una serie de nuevos ensayos de corte directo para la caracterización hidromecánica de la interfaz suelo – estructura de hormigón, para diferentes tipos de encofrados y rugosidades. Finalmente, se han diseñado una serie de algoritmos específicos para la resolución del set de ecuaciones diferenciales de gobierno que definen este problema. Estos algoritmos son de gran importancia en este problema para tratar el procesamiento transitorio de la consolidación de los rellenos hidráulicos, y de otros efectos relacionados con su implementación en celdas de cajones, como el efecto silo y la licuefacciones autoinducida. Para ello, se ha establecido un modelo 2D axisimétrico, con formulación acoplada u‐p para elementos continuos y elementos interfaz (de espesor cero), que tratan de simular las condiciones de estos rellenos hidráulicos cuando se colocan en las celdas portuarias. Este caso de estudio hace referencia clara a materiales granulares en estado inicial muy suelto y con escasas tensiones efectivas, es decir, con prácticamente todas las sobrepresiones ocasionadas por el proceso de autoconsolidación (por peso propio). Por todo ello se requiere de algoritmos numéricos específicos, así como de modelos constitutivos particulares, para los elementos del continuo y para los elementos interfaz. En el caso de la simulación de diferentes procedimientos de puesta en obra de los rellenos se ha requerido la modificacion de los algoritmos empleados para poder así representar numéricamente la puesta en obra de estos materiales, además de poder realizar una comparativa de los resultados para los distintos procedimientos. La constante actualización de los parámetros del suelo, hace también de este algoritmo una potente herramienta que permite establecer un interesante juego de perfiles de variables, tales como la densidad, el índice de huecos, la fracción de sólidos, el exceso de presiones, y tensiones y deformaciones. En definitiva, el modelo otorga un mejor entendimiento del efecto silo, término comúnmente usado para definir el fenómeno transitorio del gradiente de presiones laterales en las estructuras de contención en forma de silo. Finalmente se incluyen una serie de comparativas entre los resultados del modelo y de diferentes estudios de la literatura técnica, tanto para el fenómeno de las consolidaciones por preso propio (Fredlund, Donaldson & Gitirana, 2009) como para el estudio del efecto silo (Puertos del Estado, 2006, EuroCódigo (2006), Japan Tech, Stands. (2009), etc.). Para concluir, se propone el diseño de un prototipo de columna de decantación con paredes friccionales, como principal propuesta de futura línea de investigación. Wide research is nowadays available on the characterization of hydraulic fills in terms of either static or dynamic behavior. However, reported comprehensive analyses of these soils when meant for port or mining works are scarce. Moreover, the semi‐empirical procedures for assessing the silo effect on cells in floating caissons, and the liquefaction potential of these soils during sudden loads or earthquakes are based on studies where the underlying influence parameters are not well known, yielding results with significant scatter. This is the case, for instance, of hazards reported by the Barcelona Liquefaction working group, with the failure of harbor walls in 2007. By virtue of this, a complex approach has been undertaken to evaluate the problem by a proposal of numerical and laboratory methodology. Within a theoretical and numerical scope, the study is focused on the numerical tools capable to face the different challenges of this problem. The complexity is manifold; the highly non‐linear behavior of consolidating soft soils; their potentially liquefactable nature, the significance of the hydromechanics of the soil‐structure contact, the discontinuities as preferential paths for water flow, setting “negligible” effective stresses as initial conditions. Within an experimental scope, a straightforward laboratory methodology is introduced for the hydromechanical characterization of the soil and the interface without the need of complex laboratory devices or cumbersome procedures. Therefore, this study includes a brief overview of the hydraulic filling execution, main uses (land reclamation, filled cells, tailing dams, etc.) and the underlying phenomena (self‐weight consolidation, silo effect, liquefaction, etc.). It comprises from the evolution of the traditional consolidation equations (Terzaghi, 1943), (Gibson, English, & Hussey, 1967) and solving methodologies (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) to the contributions in terms of silo effect (Ranssen, 1895) (Ravenet, 1977) and liquefaction phenomena (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). The novelty of the study lies on the development of a Finite Element Method (FEM) code, exclusively formulated for this problem. Subsequently, a theoretical (Biot, 1941) (Zienkiewicz and Shiomi, 1984) (Segura and Carol, 2004) and numerical approach (Zienkiewicz and Taylor, 1989) (Huerta, A. & Rodriguez, A., 1992) (Segura, J.M. & Carol, I., 2008) is introduced for multidimensional consolidation problems with frictional contacts and the corresponding constitutive models (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fu & Liu, 2011). An experimental methodology is presented for the laboratory test and material characterization (Castro 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies 2006) using Hostun sands as reference hydraulic fill. A series of singular interaction shear tests for the interface calibration is included. Finally, a specific model algorithm for the solution of the set of differential equations governing the problem is presented. The process of consolidation and settlements involves a comprehensive simulation of the transient process of decantation and the build‐up of the silo effect in cells and certain phenomena related to self‐compaction and liquefaction. For this, an implementation of a 2D axi‐syimmetric coupled model with continuum and interface elements, aimed at simulating conditions and self‐weight consolidation of hydraulic fills once placed into floating caisson cells or close to retaining structures. This basically concerns a loose granular soil with a negligible initial effective stress level at the onset of the process. The implementation requires a specific numerical algorithm as well as specific constitutive models for both the continuum and the interface elements. The simulation of implementation procedures for the fills has required the modification of the algorithm so that a numerical representation of these procedures is carried out. A comparison of the results for the different procedures is interesting for the global analysis. Furthermore, the continuous updating of the model provides an insightful logging of variable profiles such as density, void ratio and solid fraction profiles, total and excess pore pressure, stresses and strains. This will lead to a better understanding of complex phenomena such as the transient gradient in lateral pressures due to silo effect in saturated soils. Interesting model and literature comparisons for the self‐weight consolidation (Fredlund, Donaldson, & Gitirana, 2009) and the silo effect results (Puertos del Estado (2006), EuroCode (2006), Japan Tech, Stands. (2009)). This study closes with the design of a decantation column prototype with frictional walls as the main future line of research.

Analysis of the impact of globalization and economic growth on food security in developing countries

A pesar de los importantes avances en la reducción del hambre, la seguridad alimentaria continúa siendo un reto de dimensión internacional. La seguridad alimentaria es un concepto amplio y multidimensional, cuyo análisis abarca distintas escalas y horizontes temporales. Dada su complejidad, la identificación de las causas de la inseguridad alimentaria y la priorización de las medias para abordarlas, son dos cuestiones que suscitan un intenso debate en la actualidad. El objetivo de esta tesis es evaluar el impacto de la globalización y el crecimiento económico en la seguridad alimentaria en los países en desarrollo, desde una perspectiva macro y un horizonte temporal a largo plazo. La influencia de la globalización se aborda de una manera secuencial. En primer lugar, se analiza la relación entre la inversión público-privada en infraestructuras y las exportaciones agrarias. A continuación, se estudia el impacto de las exportaciones agrarias en los indicadores de seguridad alimentaria. El estudio del impacto del crecimiento económico aborda los cambios paralelos en la distribución de la renta, y cómo la inequidad influye en el comportamiento de la seguridad alimentaria nacional. Además, se analiza en qué medida el crecimiento económico contribuye a acelerar el proceso de mejora de la seguridad alimentaria. Con el fin de conseguir los objetivos mencionados, se llevan a cabo varios análisis econométricos basados en datos de panel, en el que se combinan datos de corte transversal de 52 países y datos temporales comprendidos en el periodo 1991-2012. Se analizan tanto variables en niveles como variables en tasas de cambio anual. Se aplican los modelos de estimación de efectos variables y efectos fijos, ambos en niveles y en primeras diferencias. La tesis incluye cuatro tipos de modelos econométricos, cada uno de ellos con sus correspondientes pruebas de robustez y especificaciones. Los resultados matizan la importancia de la globalización y el crecimiento económico como mecanismos de mejora de la seguridad alimentaria en los países en desarrollo. Se obtienen dos conclusiones relativas a la globalización. En primer lugar, los resultados sugieren que la promoción de las inversiones privadas en infraestructuras contribuye a aumentar las exportaciones agrarias. En segundo lugar, se observa que las exportaciones agrarias pueden tener un impacto negativo en los indicadores de seguridad alimentaria. La combinación de estas dos conclusiones sugiere que la apertura comercial y financiera no contribuye por sí misma a la mejora de la seguridad alimentaria en los países en desarrollo. La apertura internacional de los países en desarrollo ha de ir acompañada de políticas e inversiones que desarrollen sectores productivos de alto valor añadido, que fortalezcan la economía nacional y reduzcan su dependencia exterior. En relación al crecimiento económico, a pesar del incuestionable hecho de que el crecimiento económico es una condición necesaria para reducir los niveles de subnutrición, no es una condición suficiente. Se han identificado tres estrategias adicionales que han de acompañar al crecimiento económico con el fin de intensificar su impacto positivo sobre la subnutrición. Primero, es necesario que el crecimiento económico sea acompañado de una distribución más equitativa de los ingresos. Segundo, el crecimiento económico ha de reflejarse en un aumento de inversiones en salud, agua y saneamiento y educación. Se observa que, incluso en ausencia de crecimiento económico, mejoras en el acceso a agua potable contribuyen a reducir los niveles de población subnutrida. Tercero, el crecimiento económico sostenible en el largo plazo parece tener un mayor impacto positivo sobre la seguridad alimentaria que el crecimiento económico más volátil o inestable en el corto plazo. La estabilidad macroeconómica se identifica como una condición necesaria para alcanzar una mayor mejora en la seguridad alimentaria, incluso habiéndose mejorado la equidad en la distribución de los ingresos. Por último, la tesis encuentra que los países en desarrollo analizados han experimentado diferentes trayectorias no lineales en su proceso de mejora de sus niveles de subnutrición. Los resultados sugieren que un mayor nivel inicial de subnutrición y el crecimiento económico son responsables de una respuesta más rápida al reto de la mejora de la seguridad alimentaria. ABSTRACT Despite the significant reductions of hunger, food security still remains a global challenge. Food security is a wide concept that embraces multiple dimensions, and has spatial-temporal scales. Because of its complexity, the identification of the drivers underpinning food insecurity and the prioritization of measures to address them are a subject of intensive debate. This thesis attempts to assess the impact of globalization and economic growth on food security in developing countries with a macro level scale (country) and using a long-term approach. The influence of globalization is addressed in a sequential way. First, the impact of public-private investment in infrastructure on agricultural exports in developing countries is analyzed. Secondly, an assessment is conducted to determine the impact of agricultural exports on food security indicators. The impact of economic growth focuses on the parallel changes in income inequality and how the income distribution influences countries' food security performance. Furthermore, the thesis analyzes to what extent economic growth helps accelerating food security improvements. To address the above mentioned goals, various econometric models are formulated. Models use panel data procedures combining cross-sectional data of 52 countries and time series data from 1991 to 2012. Yearly data are expressed both in levels and in changes. The estimation models applied are random effects estimation and fixed effects estimations, both in levels and in first differences. The thesis includes four families of econometric models, each with its own set of robustness checks and specifications. The results qualify the relevance of globalization and economic growth as enabling mechanisms for improving food security in developing countries. Concerning globalization, two main conclusions can be drawn. First, results showed that enhancing foreign private investment in infrastructures contributes to increase agricultural exports. Second, agricultural exports appear to have a negative impact on national food security indicators. These two conclusions suggest that trade and financial openness per se do not contribute directly to improve food security in development countries. Both measures should be accompanied by investments and policies to support the development of national high value productive sectors, to strengthen the domestic economy and reduce its external dependency. Referring to economic growth, despite the unquestionable fact that income growth is a pre-requisite for reducing undernourishment, results suggest that it is a necessary but not a sufficient condition. Three additional strategies should accompany economic growth to intensifying its impact on food security. Firstly, it is necessary that income growth should be accompanied by a better distribution of income. Secondly, income growth needs to be followed by investments and policies in health, sanitation and education to improve food security. Even if economic growth falters, sustained improvements in the access to drinking water may still give rise to reductions in the percentage of undernourished people. And thirdly, long-term economic growth appears to have a greater impact on reducing hunger than growth regimes that combine periods of growth peaks followed by troughs. Macroeconomic stability is a necessary condition for accelerating food security. Finally, the thesis finds that the developing countries analyzed have experienced different non-linear paths toward improving food security. Results also show that a higher initial level of undernourishment and economic growth result in a faster response for improving food security.

An interactive web-based learning assistant for structural analysis of continuous beams

There are significant levels of concern about the relevance and the difficulty of learning some issues on Strength of Materials and Structural Analysis. Most students of Continuum Mechanics and Structural Analysis in Civil Engineering usually point out some key learning aspects as especially difficult for acquiring specific skills. These key concepts entail comprehension difficulties but ease access and applicability to structural analysis in more advanced subjects. Likewise, some elusive but basic structural concepts, such as flexibility, stiffness or influence lines, are paramount for developing further skills required for advanced structural design: tall buildings, arch-type structures as well as bridges. As new curricular itineraries are currently being implemented, it appears appropriate to devise a repository of interactive web-based applications for training in those basic concepts. That will hopefully train the student to understand the complexity of such concepts, to develop intuitive knowledge on actual structural response and to improve their preparation for exams. In this work, a web-based learning assistant system for influence lines on continuous beams is presented. It consists of a collection of interactive user-friendly applications accessible via Web. It is performed in both Spanish and English languages. Rather than a “black box” system, the procedure involves open interaction with the student, who can simulate and virtually envisage the structural response. Thus, the student is enabled to set the geometric, topologic and mechanic layout of a continuous beam and to change or shift the loading and the support conditions. Simultaneously, the changes in the beam response prompt on the screen, so that the effects of the several issues involved in structural analysis become apparent. The system is performed through a set of web pages which encompasses interactive exercises and problems, written in JavaScript under JQuery and DyGraphs frameworks, given that their efficiency and graphic capabilities are renowned. Students can freely boost their self-study on this subject in order to face their exams more confidently. Besides, this collection is expected to be added to the "Virtual Lab of Continuum Mechanics" of the UPM, launched in 2013 (http://serviciosgate.upm.es/laboratoriosvirtuales/laboratorios/medios-continuos-en-construcci%C3%B3n)

Complejidad Esencial: Un argumento por la complementariedad entre ciencia y sensibilidad = Essential Complexity: An argument for complementarity between science and sensibility

Esta investigación recoge un cúmulo de intereses en torno a un modo de generar arquitectura muy específico: La producción de objetos con una forma subyacente no apriorística. Los conocimientos expuestos se apoyan en condiciones del pensamiento reciente que impulsan la ilusión por alimentar la fuente creativa de la arquitectura con otros campos del saber. Los tiempos del conocimiento animista sensible y el conocimiento objetivo de carácter científico son correlativos en la historia pero casi nunca han sido sincrónicos. Representa asimismo un intento por aunar los dos tipos de conocimiento retomando la inercia que ya se presentía a comienzos del siglo XX. Se trata por tanto, de un ensayo sobre la posible anulación de la contraposición entre estos dos mundos para pasar a una complementariedad entre ambos en una sola visión conjunta compartida. Como meta final de esta investigación se presenta el desarrollo de un sistema crítico de análisis para los objetos arquitectónicos que permita una diferenciación entre aquellos que responden a los problemas de manera completa y sincera y aquellos otros que esconden, bajo una superficie consensuada, la falta de un método resolutivo de la complejidad en el presente creativo. La Investigación observa tres grupos de conocimiento diferenciados agrupados en sus capítulos correspondientes: El primer capítulo versa sobre el Impulso Creador. En él se define la necesidad de crear un marco para el individuo creador, aquel que independientemente de las fuerzas sociales del momento presiente que existe algo más allá que está sin resolver. Denominamos aquí “creador rebelde” a un tipo de personaje reconocible a lo largo de la Historia como aquel capaz de reconocer los cambios que ese operan en su presente y que utiliza para descubrir lo nuevo y acercarse algo al origen creativo. En el momento actual ese tipo de personaje es el que intuye o ya ha intuido hace tiempo la existencia de una complejidad creciente no obviable en el pensamiento de este tiempo. El segundo capítulo desarrolla algunas Propiedades de Sistemas de actuación creativa. En él se muestra una investigación que desarrolla un marco de conocimientos científicos muy específicos de nuestro tiempo que la arquitectura, de momento, no ha absorbido ni refleja de manera directa en su manera de crear. Son temas de presencia casi ya mundana en la sociedad pero que se resisten a ser incluidos en los procesos creativos como parte de la conciencia. La mayoría de ellos hablan de precisión, órdenes invisibles, propiedades de la materia o la energía tratados de manera objetiva y apolítica. La meta final supone el acercamiento e incorporación de estos conceptos y propiedades a nuestro mundo sensible unificándolos indisociablemente bajo un solo punto de vista. El último capítulo versa sobre la Complejidad y su capacidad de reducción a lo esencial. Aquí se muestran, a modo de conclusiones, la introducción de varios conceptos para el desarrollo de un sistema crítico hacia la arquitectura de nuestro tiempo. Entre ellos, el de Complejidad Esencial, definido como aquella de carácter inevitable a la hora de responder la arquitectura a los problemas y solicitaciones crecientes a los que se enfrenta en el presente. La Tesis mantiene la importancia de informar sobre la imposibilidad en el estado actual de las cosas de responder de manera sincera con soluciones de carácter simplista y la necesidad, por tanto, de soluciones necesarias de carácter complejo. En este sentido se define asimismo el concepto de Forma Subyacente como herramienta crítica para poder evaluar la respuesta de cada arquitectura y poder tener un sistema y visión crítica sobre lo que es un objeto consistente frente a la situación a la que se enfrenta. Dicha forma subyacente se define como aquella manera de entender conjuntamente y de manera sincrónica aquello que percibimos de manera sensible inseparable de las fuerzas ocultas, creativas, tecnológicas, materiales y energéticas que sustentan la definición y entendimiento de cualquier objeto construido. ABSTRACT This research includes a cluster of interests around a specific way to generate architecture: The production of objects without an a priori underlying form. The knowledge presented is based on current conditions of thought promoting the illusion to feed the creative source of architecture with other fields of knowledge. The sensible animist knowledge and objective scientific knowledge are correlative in history but have rarely been synchronous. This research is also an attempt to combine both types of knowledge to regain the inertia already sensed in the early twentieth century. It is therefore an essay on the annulment of the opposition between these two worlds to move towards complementarities of both in a single shared vision. The ultimate goal of this research is to present the development of a critical analysis system for architectural objects that allows differentiation between those who respond to the problems sincerely and those who hide under an agreed appearance, the lack of a method for solving the complexity of the creative present. The research observes three distinct groups of knowledge contained in their respective chapters: The first chapter deals with the Creative Impulse. In it is defined the need to create a framework for the creative individual who, regardless of the current social forces, forebodes that there is something hidden beyond which is still unresolved. We define the "rebel creator" as a kind of person existing throughout history who is able to recognize the changes operating in its present and use them to discover something new and get closer to the origin of creation. At present, this type of character is the one who intuits the existence of a non obviable increasing complexity in society and thought. The second chapter presents some systems, and their properties, for creative performance. It describes the development of a framework composed of current scientific knowledge that architecture has not yet absorbed or reflected directly in her procedures. These are issues of common presence in society but are still reluctant to be included in the creative processes even if they already belong to the collective consciousness. Most of them talk about accuracy, invisible orders, properties of matter and energy, always treated from an objective and apolitical perspective. The ultimate goal pursues the approach and incorporation of these concepts and properties to the sensible world, inextricably unifying all under a single point of view. The last chapter deals with complexity and the ability to reduce it to the essentials. Here we show, as a conclusion, the introduction of several concepts to develop a critical approach to analyzing the architecture of our time. Among them, the concept of Essential Complexity, defined as one that inevitably arises when architecture responds to the increasing stresses that faces today. The thesis maintains the importance of reporting, in the present state of things, the impossibility to respond openly with simplistic solutions and, therefore, the need for solutions to complex character. In this sense, the concept of Underlying Form is defined as a critical tool to evaluate the response of each architecture and possess a critical system to clarify what is an consistent object facing a certain situation. The underlying form is then defined as a way to synchronously understand what we perceive sensitively inseparable from the hidden forces of creative, technological, material and energetic character that support the definition and understanding of any constructed object.

Systematic analysis of the decoding delay in multiview video

We present a framework for the analysis of the decoding delay in multiview video coding (MVC). We show that in real-time applications, an accurate estimation of the decoding delay is essential to achieve a minimum communication latency. As opposed to single-view codecs, the complexity of the multiview prediction structure and the parallel decoding of several views requires a systematic analysis of this decoding delay, which we solve using graph theory and a model of the decoder hardware architecture. Our framework assumes a decoder implementation in general purpose multi-core processors with multi-threading capabilities. For this hardware model, we show that frame processing times depend on the computational load of the decoder and we provide an iterative algorithm to compute jointly frame processing times and decoding delay. Finally, we show that decoding delay analysis can be applied to design decoders with the objective of minimizing the communication latency of the MVC system.

Geometrical characterization of undisturbed soil samples using X-ray computed tomography image analysis. Effect of soil management on soil structure

El estudio de la estructura del suelo es de vital importancia en diferentes campos de la ciencia y la tecnología. La estructura del suelo controla procesos físicos y biológicos importantes en los sistemas suelo-planta-microorganismos. Estos procesos están dominados por la geometría de la estructura del suelo, y una caracterización cuantitativa de la heterogeneidad de la geometría del espacio poroso es beneficiosa para la predicción de propiedades físicas del suelo. La tecnología de la tomografía computerizada de rayos-X (CT) nos permite obtener imágenes digitales tridimensionales del interior de una muestra de suelo, proporcionando información de la geometría de los poros del suelo y permitiendo el estudio de los poros sin destruir las muestras. Las técnicas de la geometría fractal y de la morfología matemática se han propuesto como una poderosa herramienta para analizar y cuantificar características geométricas. Las dimensiones fractales del espacio poroso, de la interfaz poro-sólido y de la distribución de tamaños de poros son indicadores de la complejidad de la estructura del suelo. Los funcionales de Minkowski y las funciones morfológicas proporcionan medios para medir características geométricas fundamentales de los objetos geométricos tridimensionales. Esto es, volumen, superficie, curvatura media de la superficie y conectividad. Las características del suelo como la distribución de tamaños de poros, el volumen del espacio poroso o la superficie poro-solido pueden ser alteradas por diferentes practicas de manejo de suelo. En este trabajo analizamos imágenes tomográficas de muestras de suelo de dos zonas cercanas con practicas de manejo diferentes. Obtenemos un conjunto de medidas geométricas, para evaluar y cuantificar posibles diferencias que el laboreo pueda haber causado en el suelo. ABSTRACT The study of soil structure is of vital importance in different fields of science and technology. Soil structure controls important physical and biological processes in soil-plant-microbial systems. Those processes are dominated by the geometry of soil pore structure, and a quantitative characterization of the spatial heterogeneity of the pore space geometry is beneficial for prediction of soil physical properties. The technology of X-ray computed tomography (CT) allows us to obtain three-dimensional digital images of the inside of a soil sample providing information on soil pore geometry and enabling the study of the pores without disturbing the samples. Fractal geometry and mathematical morphological techniques have been proposed as powerful tools to analyze and quantify geometrical features. Fractal dimensions of pore space, pore-solid interface and pore size distribution are indicators of soil structure complexity. Minkowski functionals and morphological functions provide means to measure fundamental geometrical features of three-dimensional geometrical objects, that is, volume, boundary surface, mean boundary surface curvature, and connectivity. Soil features such as pore-size distribution, pore space volume or pore-solid surface can be altered by different soil management practices. In this work we analyze CT images of soil samples from two nearby areas with contrasting management practices. We performed a set of geometrical measures, some of them from mathematical morphology, to assess and quantify any possible difference that tillage may have caused on the soil.

A framework for adaptive e-learning for continuum mechanics and structural analysis

This paper presents a project for providing the students of Structural Engineering with the flexibility to learn outside classroom schedules. The goal is a framework for adaptive E-learning based on a repository of open educational courseware with a set of basic Structural Engineering concepts and fundamentals. These are paramount for students to expand their technical knowledge and skills in structural analysis and design of tall buildings, arch-type structures as well as bridges. Thus, concepts related to structural behaviour such as linearity, compatibility, stiffness and influence lines have traditionally been elusive for students. The objective is to facilitate the student a teachinglearning process to acquire the necessary intuitive knowledge, cognitive skills and the basis for further technological modules and professional development in this area. As a side effect, the system is expected to help the students improve their preparation for exams on the subject. In this project, a web-based open-source system for studying influence lines on continuous beams is presented. It encompasses a collection of interactive user-friendly applications accessible via Web, written in JavaScript under JQuery and Dygraph Libraries, taking advantage of their efficiency and graphic capabilities. It is performed in both Spanish and English languages. The student is enabled to set the geometric, topologic, boundary and mechanic layout of a continuous beam. While changing the loading and the support conditions, the changes in the beam response prompt on the screen, so that the effects of the several issues involved in structural analysis become apparent. This open interaction with the user allows the student to simulate and virtually infer the structural response. Different levels of complexity can be handled, whereas an ongoing help is at hand for any of them. Students can freely boost their experiential learning on this subject at their own pace, in order to further share, process, generalize and apply the relevant essential concepts of Structural Engineering analysis. Besides, this collection is being added to the "Virtual Lab of Continuum Mechanics" of the UPM, launched in 2013 (http://serviciosgate.upm.es/laboratoriosvirtuales/laboratorios/medios-continuos-en-construcci%C3%B3n)

Image processing methods for human brain connectivity analysis from in-vivo diffusion MRI

The structural connectivity of the brain is considered to encode species-wise and subject-wise patterns that will unlock large areas of understanding of the human brain. Currently, diffusion MRI of the living brain enables to map the microstructure of tissue, allowing to track the pathways of fiber bundles connecting the cortical regions across the brain. These bundles are summarized in a network representation called connectome that is analyzed using graph theory. The extraction of the connectome from diffusion MRI requires a large processing flow including image enhancement, reconstruction, segmentation, registration, diffusion tracking, etc. Although a concerted effort has been devoted to the definition of standard pipelines for the connectome extraction, it is still crucial to define quality assessment protocols of these workflows. The definition of quality control protocols is hindered by the complexity of the pipelines under test and the absolute lack of gold-standards for diffusion MRI data. Here we characterize the impact on structural connectivity workflows of the geometrical deformation typically shown by diffusion MRI data due to the inhomogeneity of magnetic susceptibility across the imaged object. We propose an evaluation framework to compare the existing methodologies to correct for these artifacts including whole-brain realistic phantoms. Additionally, we design and implement an image segmentation and registration method to avoid performing the correction task and to enable processing in the native space of diffusion data. We release PySDCev, an evaluation framework for the quality control of connectivity pipelines, specialized in the study of susceptibility-derived distortions. In this context, we propose Diffantom, a whole-brain phantom that provides a solution to the lack of gold-standard data. The three correction methodologies under comparison performed reasonably, and it is difficult to determine which method is more advisable. We demonstrate that susceptibility-derived correction is necessary to increase the sensitivity of connectivity pipelines, at the cost of specificity. Finally, with the registration and segmentation tool called regseg we demonstrate how the problem of susceptibility-derived distortion can be overcome allowing data to be used in their original coordinates. This is crucial to increase the sensitivity of the whole pipeline without any loss in specificity.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.