Time-multiscale methods for the simulation of slow transport problems in atomistic systems

En esta tesis presentamos una teoría adaptada a la simulación de fenómenos lentos de transporte en sistemas atomísticos. En primer lugar, desarrollamos el marco teórico para modelizar colectividades estadísticas de equilibrio. A continuación, lo adaptamos para construir modelos de colectividades estadísticas fuera de equilibrio. Esta teoría reposa sobre los principios de la mecánica estadística, en particular el principio de máxima entropía de Jaynes, utilizado tanto para sistemas en equilibrio como fuera de equilibrio, y la teoría de las aproximaciones del campo medio. Expresamos matemáticamente el problema como un principio variacional en el que maximizamos una entropía libre, en lugar de una energía libre. La formulación propuesta permite definir equivalentes atomísticos de variables macroscópicas como la temperatura y la fracción molar. De esta forma podemos considerar campos macroscópicos no uniformes. Completamos el marco teórico con reglas de cuadratura de Monte Carlo, gracias a las cuales obtenemos modelos computables. A continuación, desarrollamos el conjunto completo de ecuaciones que gobiernan procesos de transporte. Deducimos la desigualdad de disipación entrópica a partir de fuerzas y flujos termodinámicos discretos. Esta desigualdad nos permite identificar la estructura que deben cumplir los potenciales cinéticos discretos. Dichos potenciales acoplan las tasas de variación en el tiempo de las variables microscópicas con las fuerzas correspondientes. Estos potenciales cinéticos deben ser completados con una relación fenomenológica, del tipo definido por la teoría de Onsanger. Por último, aportamos validaciones numéricas. Con ellas ilustramos la capacidad de la teoría presentada para simular propiedades de equilibrio y segregación superficial en aleaciones metálicas. Primero, simulamos propiedades termodinámicas de equilibrio en el sistema atomístico. A continuación evaluamos la habilidad del modelo para reproducir procesos de transporte en sistemas complejos que duran tiempos largos con respecto a los tiempos característicos a escala atómica. ABSTRACT In this work, we formulate a theory to address simulations of slow time transport effects in atomic systems. We first develop this theoretical framework in the context of equilibrium of atomic ensembles, based on statistical mechanics. We then adapt it to model ensembles away from equilibrium. The theory stands on Jaynes' maximum entropy principle, valid for the treatment of both, systems in equilibrium and away from equilibrium and on meanfield approximation theory. It is expressed in the entropy formulation as a variational principle. We interpret atomistic equivalents of macroscopic variables such as the temperature and the molar fractions, wich are not required to be uniform, but can vary from particle to particle. We complement this theory with Monte Carlo summation rules for further approximation. In addition, we provide a framework for studying transport processes with the full set of equations driving the evolution of the system. We first derive a dissipation inequality for the entropic production involving discrete thermodynamic forces and fluxes. This discrete dissipation inequality identifies the adequate structure for discrete kinetic potentials which couple the microscopic field rates to the corresponding driving forces. Those kinetic potentials must finally be expressed as a phenomenological rule of the Onsanger Type. We present several validation cases, illustrating equilibrium properties and surface segregation of metallic alloys. We first assess the ability of a simple meanfield model to reproduce thermodynamic equilibrium properties in systems with atomic resolution. Then, we evaluate the ability of the model to reproduce a long-term transport process in complex systems.

Estudio sobre el estado de conservación de la cubierta del Martinete de Navafría.

El presente documento es un estudio sobre el estado de conservación de la cubierta de madera del martinete de Navafría. El martinete de Navafría fue declarado Bien de Interés Cultural por la Junta de Castilla y León en 1998. Es el último martinete de cobre que queda en Europa y en él se realizaban calderos, braseros, calienta-camas y demás enseres de cobre. Se ha realizado una croquización de la cubierta del martinete y se han registrado las dimensiones de todas y cada una de las piezas. Se ha realizado una inspección de cada una de las piezas. En esta inspección se han descrito todas las patologías encontradas y se han generado unos croquis donde se representa el grado de ataque. Se han empleado Técnicas No Destructivas (TND) para determinar el grado de ataque de las diferentes patologías y para estimar las características estructurales de la madera. El grado de ataque que presenta la estructura es muy elevado y una de las cuatro vigas principales presenta una rotura total. Una vez analizado el estado de las patologías se ha modelizado la estructura para calcular los índices de agotamiento y comprobar si cumple con la normativa. Se ha obtenido que los índices de agotamiento son superiores a los permitidos. Por lo que no se puede garantizar la seguridad de la estructura. Después de todo el análisis se han redactado unas conclusiones y se han realizado una propuestas de actuación. Estas medidas se han planteado para mejorar la conservación y solucionar los problemas observados. Se ha realizado una propuesta de una nueva cubierta empleando materiales más ligeros y manteniendo el diseño estructural original. Se ha conseguido disminuir el peso de la cubierta un 27 %. Con estas nuevas cargas se ha recalculado de nuevo la cubierta y se ha comprobado que no cumple con las exigencias de la normativa vigente. Por ello es necesario un nuevo diseño que se adapte a la normativa y se recomienda que busque el mantener el aspecto original.

A system of systems engineering approach to design new smarter and energy efficient products

The concept of smartness of energy efficient products and systems from a business perspective has been investigated by several authors. The problem of understanding, designing, engineering and governing these technologies requires new concepts. The emergence of these modern technologies causes a myriad of interconnected systems, which are working together to satisfy the necessities of modern life. The problem of understanding, designing, engineering, and governing these technologies requires new concepts. Development of System of System Engineering (SoSE) is an attempt by the systems engineering and science community to fulfill this requirement.

Análisis fundamental aplicado a la industria minera : un estudio multivariante

Este trabajo tiene por objeto aplicar los principios del Value Investing a veinticuatro empresas del sector minero y definir las claves para extrapolar, en base a un análisis fundamental, una calificación para cada una de las empresas. Con este fin, se ha realizado un estudio estadístico multivariante para comparar las correlaciones existentes entre cada ratio fundamental y su evolución en bolsa a uno, tres y cinco años vista. Para procesar los datos se han utilizado los programas MATLAB y EXCEL. Sobre ellos se ha planteado una Matriz de Correlaciones de Pearson y un estudio de dispersión por cruce de pares. El análisis demostró que es posible aplicar la metodología del Value Investing a empresas del sector minero con resultados positivos aunque, el ajuste de las correlaciones, sugiere utilizar series temporales más largas y un mayor número de empresas para ganar fiabilidad en el contraste de estas hipótesis. De los estudios realizados, se deduce que unos buenos fundamentales influyen, de manera notable, a la revalorización bursátil a 3 y 5 años destacando, además, que el ajuste es mejor cuanto mayor sea este tiempo. Abstract This study aims to apply the principles of Value Investing to twenty four mining companies and, based on this fundamental study, develop a rating to classify those companies. For this purpose, we have performed a multivariate statistical study to compare the correlations between each fundamental ratio and its stock revalorization for one, three and five years. MATLAB and EXCEL have been used to process data. The statistical methods used are Pearson Matrix of Correlations and a Cross Pairs Scattering Study. The analysis showed that it is possible to apply the methodology of Value Investing to mining companies, although, the adjustment of correlations suggests using longer time series and a larger amount of companies to test these hypothesis. From the studies performed, it follows that good fundamentals significantly influence the stock market value at 3 and 5 years, noting that, the larger the period under study, the better the fit.

Multiscale modeling of the plastic behaviour in single crystal tungsten: from atomistic to crystal plasticity simulations

En una planta de fusión, los materiales en contacto con el plasma así como los materiales de primera pared experimentan condiciones particularmente hostiles al estar expuestos a altos flujos de partículas, neutrones y grandes cargas térmicas. Como consecuencia de estas diferentes y complejas condiciones de trabajo, el estudio, desarrollo y diseño de estos materiales es uno de los más importantes retos que ha surgido en los últimos años para la comunidad científica en el campo de los materiales y la energía. Debido a su baja tasa de erosión, alta resistencia al sputtering, alta conductividad térmica, muy alto punto de fusión y baja retención de tritio, el tungsteno (wolframio) es un importante candidato como material de primera pared y como posible material estructural avanzado en fusión por confinamiento magnético e inercial. Sin embargo, el tiempo de vida del tungsteno viene controlado por diversos factores como son su respuesta termo-mecánica en la superficie, la posibilidad de fusión y el fallo por acumulación de helio. Es por ello que el tiempo de vida limitado por la respuesta mecánica del tungsteno (W), y en particular su fragilidad, sean dos importantes aspectos que tienes que ser investigados. El comportamiento plástico en materiales refractarios con estructura cristalina cúbica centrada en las caras (bcc) como el tungsteno está gobernado por las dislocaciones de tipo tornillo a escala atómica y por conjuntos e interacciones de dislocaciones a escalas más grandes. El modelado de este complejo comportamiento requiere la aplicación de métodos capaces de resolver de forma rigurosa cada una de las escalas. El trabajo que se presenta en esta tesis propone un modelado multiescala que es capaz de dar respuestas ingenieriles a las solicitudes técnicas del tungsteno, y que a su vez está apoyado por la rigurosa física subyacente a extensas simulaciones atomísticas. En primer lugar, las propiedades estáticas y dinámicas de las dislocaciones de tipo tornillo en cinco potenciales interatómicos de tungsteno son comparadas, determinando cuáles de ellos garantizan una mayor fidelidad física y eficiencia computacional. Las grandes tasas de deformación asociadas a las técnicas de dinámica molecular hacen que las funciones de movilidad de las dislocaciones obtenidas no puedan ser utilizadas en los siguientes pasos del modelado multiescala. En este trabajo, proponemos dos métodos alternativos para obtener las funciones de movilidad de las dislocaciones: un modelo Monte Cario cinético y expresiones analíticas. El conjunto de parámetros necesarios para formular el modelo de Monte Cario cinético y la ley de movilidad analítica son calculados atomísticamente. Estos parámetros incluyen, pero no se limitan a: la determinación de las entalpias y energías de formación de las parejas de escalones que forman las dislocaciones, la parametrización de los efectos de no Schmid característicos en materiales bcc,etc. Conociendo la ley de movilidad de las dislocaciones en función del esfuerzo aplicado y la temperatura, se introduce esta relación como ecuación de flujo dentro de un modelo de plasticidad cristalina. La predicción del modelo sobre la dependencia del límite de fluencia con la temperatura es validada experimentalmente con ensayos uniaxiales en tungsteno monocristalino. A continuación, se calcula el límite de fluencia al aplicar ensayos uniaxiales de tensión para un conjunto de orientaciones cristalográticas dentro del triángulo estándar variando la tasa de deformación y la temperatura de los ensayos. Finalmente, y con el objetivo de ser capaces de predecir una respuesta más dúctil del tungsteno para una variedad de estados de carga, se realizan ensayos biaxiales de tensión sobre algunas de las orientaciones cristalográficas ya estudiadas en función de la temperatura.-------------------------------------------------------------------------ABSTRACT ----------------------------------------------------------Tungsten and tungsten alloys are being considered as leading candidates for structural and functional materials in future fusion energy devices. The most attractive properties of tungsten for the design of magnetic and inertial fusion energy reactors are its high melting point, high thermal conductivity, low sputtering yield and low longterm disposal radioactive footprint. However, tungsten also presents a very low fracture toughness, mostly associated with inter-granular failure and bulk plasticity, that limits its applications. As a result of these various and complex conditions of work, the study, development and design of these materials is one of the most important challenges that have emerged in recent years to the scientific community in the field of materials for energy applications. The plastic behavior of body-centered cubic (bcc) refractory metals like tungsten is governed by the kink-pair mediated thermally activated motion of h¿ (\1 11)i screw dislocations on the atomistic scale and by ensembles and interactions of dislocations at larger scales. Modeling this complex behavior requires the application of methods capable of resolving rigorously each relevant scale. The work presented in this thesis proposes a multiscale model approach that gives engineering-level responses to the technical specifications required for the use of tungsten in fusion energy reactors, and it is also supported by the rigorous underlying physics of extensive atomistic simulations. First, the static and dynamic properties of screw dislocations in five interatomic potentials for tungsten are compared, determining which of these ensure greater physical fidelity and computational efficiency. The large strain rates associated with molecular dynamics techniques make the dislocation mobility functions obtained not suitable to be used in the next steps of the multiscale model. Therefore, it is necessary to employ mobility laws obtained from a different method. In this work, we suggest two alternative methods to get the dislocation mobility functions: a kinetic Monte Carlo model and analytical expressions. The set of parameters needed to formulate the kinetic Monte Carlo model and the analytical mobility law are calculated atomistically. These parameters include, but are not limited to: enthalpy and energy barriers of kink-pairs as a function of the stress, width of the kink-pairs, non-Schmid effects ( both twinning-antitwinning asymmetry and non-glide stresses), etc. The function relating dislocation velocity with applied stress and temperature is used as the main source of constitutive information into a dislocation-based crystal plasticity framework. We validate the dependence of the yield strength with the temperature predicted by the model against existing experimental data of tensile tests in singlecrystal tungsten, with excellent agreement between the simulations and the measured data. We then extend the model to a number of crystallographic orientations uniformly distributed in the standard triangle and study the effects of temperature and strain rate. Finally, we perform biaxial tensile tests and provide the yield surface as a function of the temperature for some of the crystallographic orientations explored in the uniaxial tensile tests.

Metodología de simulación numérica de la transferencia de calor por ebullición en película en torno a superficies esféricas refrigeradas por líquido saturado en convección libre: aplicación a reactores nucleares de lecho de bolas (PBR)

En la presente Tesis se realizó un análisis numérico, usando el código comercial Ansys-Fluent, de la refrigeración de una bola de combustible de un reactor de lecho de bolas (PBR, por sus siglas en inglés), ante un escenario de emergencia en el cual el núcleo sea desensamblado y las bolas se dejen caer en una piscina de agua, donde el mecanismo de transferencia de calor inicialmente sería la ebullición en película, implicando la convección y la radiación al fluido. Previamente se realizaron pruebas de validación, comparando los resultados numéricos con datos experimentales disponibles en la literatura para tres geometrías diferentes, lo cual permitió seleccionar los esquemas y modelos numéricos con mejor precisión y menor costo computacional. Una vez identificada la metodología numérica, todas las pruebas de validación fueron ampliamente satisfactorias, encontrándose muy buena concordancia en el flujo de calor promedio con los datos experimentales. Durante estas pruebas de validación se lograron caracterizar numéricamente algunos parámetros importantes en la ebullición en película con los cuales existen ciertos niveles de incertidumbre, como son el factor de acoplamiento entre convección y radiación, y el factor de corrección del calor latente de vaporización. El análisis térmico de la refrigeración de la bola del reactor por ebullición en película mostró que la misma se enfría, a pesar del calor de decaimiento, con una temperatura superficial de la bola que desciende de forma oscilatoria, debido al comportamiento inestable de la película de vapor. Sin embargo, la temperatura de esta superficie tiene una buena uniformidad, notándose que las áreas mejor y peor refrigeradas están localizadas en la parte superior de la bola. Se observó la formación de múltiples domos de vapor en diferentes posiciones circunferenciales, lo cual causa que el área más caliente de la superficie se localice donde se forman los domos más grandes. La separación entre los domos de vapor fue consistente con la teoría hidrodinámica, con la adición de que la separación entre domos se reduce a medida que evolucionan y crecen, debido a la curvatura de la superficie. ABSTRACT A numerical cooling analysis of a PBR fuel pebble, after an emergency scenario in which the nucleus disassembly is made and the pebbles are dropped into a water pool, transmitting heat by film boiling, involving convection and radiation to the fluid, is carried out in this Thesis. First, were performed validation tests comparing the numerical results with experimental works available for three different geometries, which allowed the selection of numerical models and schemes with better precision and lower computational cost. Once identified the numerical methodology, all validation tests were widely satisfactory, finding very good agreement with experimental works in average heat flux. During these validation tests were achieved numerically characterize some important parameters in film boiling with which there are certain levels of uncertainty, such as the coupling factor between convection and radiation, and the correction factor of the latent heat of vaporization. The thermal analysis of pebble cooling by film boiling shows that despite its decay heat, cooling occurs, with pebble surface temperature descending from an oscillatory manner, due to the instability of the vapor film. However, the temperature of this surface has a good uniformity, noting that the best and worst refrigerated area is located at the top of the pebble. The formation of multiple vapor domes at different circumferential positions is observed, which cause that the hottest area of the surface was located where biggest vapor domes were formed. The separation between vapor domes was consistent with the hydrodynamic theory, with the addition that the separation is reduced as the vapor dome evolves and grows, due to the surface curvature.

Multiobjective structural damage identification in uncertain environments

Evolutionary algorithms are suitable to solve damage identification problems in a multiobjective context. However, the performance of these methods can deteriorate quickly with increasing noise intensities originating numerous uncertainties. In this paper, a statistic structural damage detection method formulated in a multiobjective context is proposed. The statistic analysis is implemented to take into account the uncertainties existing in the structural model and measured structural modal parameters. The presented method is verified by a number of simulated damage scenarios. The effects of noise and damage levels on damage detection are investigated.

Damage Assessment of Structures with Uncertainty

Evolutionary algorithms are suitable to solve damage identification problems in a multiobjective context. However, the performance of these methods can deteriorate quickly with increasing noise intensities originating numerous uncertainties. In this work, a statistic structural damage detection method formulated in a multiobjective context is proposed, taking into account the uncertainties existing. The presented method is verified by a number of simulated damage scenarios. The effects of noise on damage detection are investigated.

Damage identification from power spectrum density transmissibility

Damage identification under real operating conditions of the structure during its daily use would be suitable and attractive to civil engineers due to the difficulty and problems of carrying out controlled forced excitation tests on this kind of structures. In this case, output-only response measurements would be available, and an output-only damage identification procedure should be implemented. Transmissibility, defined on an output-to-output relationship, is getting increased attention in damage detection applications because of its dependence with output-only data and its sensitivity to local structural changes. In this paper, a method based on the power spectrum density transmissibility (PSDT) is proposed to detect structural damage.

Statistical Multi-Objective Structural Damage Identification based on Dynamic Parameters

Evolutionary algorithms are suitable to solve damage identification problems in a multi-objective context. However, the performance of these methods can deteriorate quickly with increasing noise intensities originating numerous uncertainties. In this paper, a statistic structural damage detection method formulated in a multi-objective context is proposed. The statistic analysis is implemented to take into account the uncertainties existing in the structural model and measured structural modal parameters. The presented method is verified by a number of simulated damage scenarios. The effects of noise and damage levels on damage detection are investigated.

Methodology based on FBG sensors for monitoring of FRP-strengthened beams

Advanced composite materials are increasingly used in the strengthening of reinforced concrete (RC) structures. The use of externally bonded strips made of fibre-reinforced plastics (FRP) as strengthening method has gained widespread acceptance in recent years since it has many advantages over the traditional techniques. However, unfortunately, this strengthening method is often associated with a brittle and sudden failure caused by some form of FRP bond failure, originated at the termination of the FRP material or at intermediate areas in the vicinity of flexural cracks in the RC beam. Up to date, little effort in the early prediction of the debonding in its initial instants even though this effect is not noticeable by simple visual observation. An early detection of this phenomenon might help in taking actions to prevent future catastrophes. Fibre-optic Bragg grating (FBG) sensors are able to measure strains locally with high resolution and accuracy. Furthermore, as their physical size is extremely small compared with other strain measuring components, it enables to be embedded at the concrete-FRP interface for determining the strain distribution without influencing the mechanical properties of the host materials. This paper shows the development of a debonding identification methodology based on strains experimentally measured. For, it a simplified model is implemented to simulate the behaviour of FRP-strengthened reinforced concrete beams. This model is taken as a basis to. develop an model updating procedure able to detect minor debonding at the concrete-FRP interface from experimental strains obtained by using FBG sensors embedded at the interface

Acoustic study of the Compañía de Jesús church. Characterization by means of objective and subjective parameters

This work shows the objective results of the acoustic quality of the Compañia de Jesús Church in Cordoba, Argentina. The acoustics of this Temple, built by the Orden Jesuita (Jesuit Order) two centuries ago and declared a World Heritage Site by UNESCO in 2000, is currently considered optimal by musicians as well as general public. In the second half of XVI century, with the Catholic reform, the need for improved speech intelligibility was given priority, being the Jesuit one of the orders that gave most importance to the construction of their temples. This church has constructive and spatial characteristics consistent with those needs. With the purpose of carrying out the acoustic assessment of the precincts, a work methodology that allowed comparing the results obtained from objective measures was developed by means of implementation of field measurements and space modeling, with subjective appreciation results, by developing surveys, with the aim of characterizing acoustically the sound space. This paper shows the comparison between the subjective results and objective criteria, which allowed important conclusions on the acoustic behavior of the temple to be obtained. In this way interesting data were obtained in relation to the subjective response of the acoustics of the church.

Surrogate-based optimization of the nose shape of a train subjected to crosswind

Optimización multi-objetivo frente a varias direcciones del viento incidente del testero de un tren de alta velocidad

Influencia de la sensibilización sobre la percepción de la molestia

Actualmente el ruido en entornos aeroportuarios presenta unos niveles de aceptación muy bajos. Los niveles de emisión acústica de las aeronaves han decrecido notablemente en las últimas décadas y dicha mejora no ha redundado en una disminución de la molestia. En algunos aeropuertos donde se aplica el concepto de enfoque equilibrado no existe demasiado margen para la reducción en las emisiones acústicas. Una alternativa es investigar el papel que pueden desempeñar las estrategias de sensibilización y de comunicación de las emisiones acústicas por parte de los gestores del ruido, intentando responder a las siguientes cuestiones: ¿Cómo afecta la comunicación en materia de ruido sobre la percepción de molestia?, ¿Puede contribuir activamente a mejorar la aceptación de los aeropuertos?, ¿Cómo podemos hacer estas estrategias más eficaces?

Control y Monitorización de un Invernadero a través de una Aplicación Móvil

Los invernaderos permiten tener un mayor control del entorno donde crecen las plantas. Son utilizados para aumentar la calidad y rendimiento de las plantaciones en ciertas ubicaciones que tienen estaciones cortas de crecimiento, o bien malas condiciones de iluminación debido a las localizaciones geográficas, por lo que permiten mejorar la producción de alimentos vegetales en entornos extremos. En este proyecto se ha desarrollado una maqueta de un invernadero y se propone el uso del microcontrolador Arduino y del sistema operativo Android, con el objetivo de lograr una tarea de control y monitorización sobre dicha maqueta. Por una parte, se utiliza la placa Arduino como tarjeta controladora del sistema y, a su vez, como tarjeta adquiridora de datos, y por otra parte se ha desarrollado una aplicación Android capaz de monitorizar y supervisar el estado del invernadero. Para llevar a cabo el flujo de información entre el invernadero y los dispositivos de monitorización, se ha desarrollado una aplicación servidor bajo código C++, capaz de administrar la información del invernadero en una base de datos MySQL y, de forma concurrente, atender las peticiones de los clientes Android registrados, proporcionándoles la información que soliciten, y ejecutando las acciones que reciben.