Theoretical analysis and numerical verification of the consistency of viscous smoothed-particle-hydrodynamics formulations in simulating free-surface flows

The theoretical formulation of the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method deserves great care because of some inconsistencies occurring when considering free-surface inviscid flows. Actually, in SPH formulations one usually assumes that (i) surface integral terms on the boundary of the interpolation kernel support are neglected, (ii) free-surface conditions are implicitly verified. These assumptions are studied in detail in the present work for free-surface Newtonian viscous flow. The consistency of classical viscous weakly compressible SPH formulations is investigated. In particular, the principle of virtual work is used to study the verification of the free-surface boundary conditions in a weak sense. The latter can be related to the global energy dissipation induced by the viscous term formulations and their consistency. Numerical verification of this theoretical analysis is provided on three free-surface test cases including a standing wave, with the three viscous term formulations investigated.

A new approach to fuzzy estimation of Takagi-Sugeno model and its applications to optimal control for nonlinear systems

An efficient approach is presented to improve the local and global approximation and modelling capability of Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy model. The main aim is obtaining high function approximation accuracy. The main problem is that T-S identification method cannot be applied when the membership functions are overlapped by pairs. This restricts the use of the T-S method because this type of membership function has been widely used during the last two decades in the stability, controller design and are popular in industrial control applications. The approach developed here can be considered as a generalized version of T-S method with optimized performance in approximating nonlinear functions. A simple approach with few computational effort, based on the well known parameters' weighting method is suggested for tuning T-S parameters to improve the choice of the performance index and minimize it. A global fuzzy controller (FC) based Linear Quadratic Regulator (LQR) is proposed in order to show the effectiveness of the estimation method developed here in control applications. Illustrative examples of an inverted pendulum and Van der Pol system are chosen to evaluate the robustness and remarkable performance of the proposed method and the high accuracy obtained in approximating nonlinear and unstable systems locally and globally in comparison with the original T-S model. Simulation results indicate the potential, simplicity and generality of the algorithm.

Policy processes and collective action in water reforms: the cases of Nicaragua and Suriname

Las reformas de agua en países en desarrollo suelen llevarse a cabo junto con cambios institucionales más profundos o, incluso, acompañadas de cambios constitucionales o de régimen político. Por lo tanto, los marcos institucionales adaptados a países gobernados sujetos al estado de derecho pueden no ser apropiados para contextos gobernados fundamentalmente, al menos en sus inicios, por instituciones informales o poco maduras. Esta tesis toma las reformas de agua como punto de partida y pretende contribuir a la literatura mediante una serie de análisis empíricos tanto del ámbito general como del plano individual o sujeto personal de la política del agua. En el ámbito general, el foco se pone en los factores que explican el fallo de la acción colectiva en dos contextos diferentes: 1) en la implementación de la nueva Ley de Aguas de Nicaragua y 2) en el mantenimiento y revitalización de las instituciones de riego en Surinam. En el plano del individuo, la investigación se centra en las decisiones de los usuarios de los recursos y analiza el papel crítico de las variables sociales para la gestión de los recursos comunes. Para ello, el método de investigación utilizado es mixto, combinando el análisis de entrevistas, encuestas y experimentos. En el ámbito general, los resultados muestran que las principales barreras para la implementación de la nueva Ley de Aguas de Nicaragua podrían tener su reflejo en el lenguaje de la Ley y, por tanto, en la forma en la que se definen y configuran las instituciones incluidas en dicha Ley. Así, la investigación demuestra que la implementación de políticas no puede ser estudiada o entendida sin tener en cuenta tanto el diseño de la propia política como el marco socio-ecológico en el que se enmarca. El contexto específico de Nicaragua remarca la importancia de considerar tanto las instituciones formales como informales en los procesos de transición política. A pesar de que las reformas de agua requieren plazos largos para su implementación, el hecho de que exista una diferencia entre las reglas tal cual se definen formalmente y las reglas que operan en la realidad merece una mayor consideración en el diseño de políticas basadas fundamentalmente en instituciones formales. En el ámbito de la conducta individual, el análisis de la acción colectiva ofrece una serie de observaciones empíricas interesantes. En el caso de Nicaragua, los resultados indican que la intensidad de las relaciones sociales, el tipo de agentes dispuestos a proporcionar apoyo social y el nivel de confianza en la comunidad son factores que explican de manera significativa la participación en la comunidad. Sin embargo, el hecho de que la gestión colectiva de riego se produzca, en la mayoría de casos, en torno a lazos familiares sugiere que las variables de capital social críticas se definen en gran medida en la esfera familiar, siendo difícil que se extiendan fuera de estos nexos. El análisis experimental de los resultados de un juego de uso de recurso común y contribución al bien público muestra que las preferencias pro-sociales de los individuos y la heterogeneidad del grupo en términos de composición por sexo son factores que explican significativamente los resultados y las decisiones de apropiación a lo largo del juego. En términos del diseño de las políticas, es fundamental tener en cuenta las dinámicas de participación y uso de los recursos comunes de manera que los niveles de cooperación puedan mantenerse en el largo plazo, lo cual, como se observa en el caso de Surinam, no es siempre posible. Finalmente, el caso de Surinam es un ejemplo ilustrativo de los procesos de acción colectiva en economías en transición. El análisis del fallo de la acción colectiva en Surinam muestra que los procesos políticos vinculados al período colonial y de independencia explican en gran medida la falta de claridad en las reglas operacionales y colectivas que gobiernan la gestión de los sistemas de riego y drenaje. Los resultados empíricos sugieren que a pesar de que la acción colectiva para la provisión de los servicios de riego y drenaje estaba bien establecida bajo el régimen colonial, la auto-organización no prosperó en un contexto dependiente del apoyo externo y regido fundamentalmente por reglas diseñadas al nivel competencial del gobierno central. El sistema socio-ecológico que se desarrolló durante la transición post-colonial favoreció, así, la emergencia de comportamientos oportunistas, y posteriormente la inoperancia de los Water Boards (WBs) creados en la época colonial. En este sentido, cualquier intento por revitalizar los WBs y fomentar el desarrollo de la auto-organización de los usuarios necesitará abordar los problemas relacionados con los patrones demográficos, incluyendo la distribución de la tierra, el diseño de instituciones y la falta de confianza en el gobierno, además de las inversiones típicas en infraestructura y sistemas de información hidrológicos. El liderazgo del gobierno, aportando empuje de arriba-abajo, es, además, otro elemento imprescindible en Surinam. ABSTRACT Water reforms in developing countries take place along deeper institutional and even constitutional. Therefore, institutional frameworks that might result in positive outcomes in countries governed by the rule of law might not fit in contexts governed mainly by informal or immature institutions. This thesis takes water reforms as the starting point and aims to contribute to the literature by presenting several conceptual and empirical analyses at both general and individual levels. At the general national level, the focus is on the factors explaining failure of collective action in two different settings: 1) in the implementation of the new Nicaraguan Water Law and 2) in sustaining and revitalizing irrigation institutions in Suriname. At the individual level, the research focuses on the actions of resource users and analyzes the critical role of social variables for common pool resources management. For this purpose, the research presented in this thesis makes use of a mixed-method approach, combining interviews, surveys and experimental methods. Overall, the results show that major barriers for the implementation of the new Nicaraguan Water Law have its reflection on the language of the Law and, therefore, on the way institutions are defined and configured. In this sense, our study shows that implementation cannot fruitfully be studied and understood without taking into account both the policy design and the social-ecological context in which it is framed. The specific setting of Nicaragua highlights the relevance of considering both formal and informal institutions when promoting policy transitions. Despite the unquestionable fact that water reforms implementation needs long periods of time, there is still a gap between the rules on paper and the rules on the ground that deserves further attention when proposing policy changes on the basis of formal institutions. At the level of the individual agent, the analysis of collective action provides a number of interesting empirical insights. In the case of Nicaragua, I found that the intensity of social networks, the type of agents willing to provide social support and the level of trust in the community are all significant factors in explaining collective action at community level. However, the fact that most collective irrigation relies on family ties suggests that critical social capital variables might be defined within the family sphere and making it difficult to go beyond it. Experimental research combining a common pool resource and a public good game in Nicaragua shows that individuals’ pro-social traits and group heterogeneity in terms of sex composition are significant variables in explaining efficiency outcomes and effort decisions along the game. Thus, with regard to policy design, it is fundamental to consider carefully the dynamics of agents' participation and use of common pool resources, for sustaining cooperation in the long term, which, as seen in the case and Surinam, is not always possible. The case of Suriname provides a rich setting for the analysis of collective action in transition economies. The analysis of decay of collective irrigation in Suriname shows that the lack of clear operational and collective choice rules appear to be rooted in deeper political processes that date back to the colonial period. The empirical findings suggest that despite collective action for the provision of irrigation and drainage services was well established during the colonial period, self-organization did not flourish in a context governed by colonial state-crafted rules and mostly dependent on external support. The social-ecological system developed during the post-colonial transition process favored the emergence of opportunistic behavior. In this respect, any attempt to revitalize WBs and support self-organization will need to tackle the problems derived from demographic patterns, including land allocation, institutions design and government distrust, in addition to the typical investments in both physical infrastructure and hydrological information systems. The leadership role of the government, acting as a top-down trigger, is another essential element in Suriname.

Prion crystalization model and its application to recognition pattern

This paper introduces APA (?Artificial Prion Assembly?): a pattern recognition system based on artificial prion crystalization. Specifically, the system exhibits the capability to classify patterns according to the resulting prion self- assembly simulated with cellular automata. Our approach is inspired in the biological process of proteins aggregation, known as prions, which are assembled as amyloid fibers related with neurodegenerative disorders.

Optoelectronic tweezers under arbitrary illumination patterns: theoretical simulations and comparison to experiment

Photovoltaic tweezers are a promising tool to place and move particles on the surface of a photovoltaic material in a controlled way. To exploit this new technique it is necessary to accurately know the electric field created by a specific illumination on the surface of the crystal and above it. This paper describes a numerical algorithm to obtain this electric field generated by several relevant light patterns, and uses them to calculate the electrophoretic potential acting over neutral, polarizable particles in the proximity of the crystal. The results are compared to experiments carried out in LiNbO3 with good overall agreement.

Understanding and improving the chemical vapor deposition process for solar grade silicon production

Esta Tesis Doctoral se centra en la investigación del proceso de producción de polisilicio para aplicaciones fotovoltaicas (FV) por la vía química; mediante procesos de depósito en fase vapor (CVD). El polisilicio para la industria FV recibe el nombre de silicio de grado solar (SoG Si). Por un lado, el proceso que domina hoy en día la producción de SoG Si está basado en la síntesis, destilación y descomposición de triclorosilano (TCS) en un reactor CVD -denominado reactor Siemens-. El material obtenido mediante este proceso es de muy alta pureza, pero a costa de un elevado consumo energético. Así, para alcanzar los dos principales objetivos de la industria FV basada en silicio, bajos costes de producción y bajo tiempo de retorno de la energía invertida en su fabricación, es esencial disminuir el consumo energético de los reactores Siemens. Por otro lado, una alternativa al proceso Siemens considera la descomposición de monosilano (MS) en un reactor de lecho fluidizado (FBR). Este proceso alternativo tiene un consumo energético mucho menor que el de un reactor Siemens, si bien la calidad del material resultante es también menor; pero ésta puede ser suficiente para la industria FV. A día de hoy los FBR deben aún abordar una serie de retos para que su menor consumo energético sea una ventaja suficiente comparada con otras desventajas de estos reactores. En resumen, la investigación desarrollada se centra en el proceso de depósito de polysilicio por CVD a partir de TCS -reactor Siemens-; pero también se investiga el proceso de producción de SoG Si en los FBR exponiendo las fortalezas y debilidades de esta alternativa. Para poder profundizar en el conocimiento del proceso CVD para la producción de polisilicio es clave el conocimiento de las reacciones químicas fundamentales y cómo éstas influencian la calidad del producto resultante, al mismo tiempo que comprender los fenómenos responsables del consumo energético. Por medio de un reactor Siemens de laboratorio en el que se llevan a cabo un elevado número de experimentos de depósito de polisilicio de forma satisfactoria se adquiere el conocimiento previamente descrito. Se pone de manifiesto la complejidad de los reactores CVD y de los problemas asociados a la pérdidas de calor de estos procesos. Se identifican las contribuciones a las pérdidas de calor de los reactores CVD, éstas pérdidas de calor son debidas principalmente a los fenómenos de radiación y, conducción y convección vía gases. En el caso de los reactores Siemens el fenómeno que contribuye en mayor medida al alto consumo energético son las pérdidas de calor por radiación, mientras que en los FBRs tanto la radiación como el calor transferido por transporte másico contribuyen de forma importante. Se desarrolla un modelo teórico integral para el cálculo de las pérdidas de calor en reactores Siemens. Este modelo está formado a su vez por un modelo para la evaluación de las pérdidas de calor por radiación y modelos para la evaluación de las pérdidas de calor por conducción y convección vía gases. Se ponen de manifiesto una serie de limitaciones del modelo de pérdidas de calor por radiación, y se desarrollan una serie de modificaciones que mejoran el modelo previo. El modelo integral se valida por medio un reactor Siemens de laboratorio, y una vez validado se presenta su extrapolación a la escala industrial. El proceso de conversión de TCS y MS a polisilicio se investiga mediante modelos de fluidodinámica computacional (CFD). Se desarrollan modelados CFD para un reactor Siemens de laboratorio y para un prototipo FBR. Los resultados obtenidos mediante simulación son comparados, en ambos casos, con resultados experimentales. Los modelos desarrollados se convierten en herramientas para la identificación de aquellos parámetros que tienen mayor influencia en los procesos CVD. En el caso del reactor Siemens, ambos modelos -el modelo integral y el modelado CFD permiten el estudio de los parámetros que afectan en mayor medida al elevado consumo energético, y mediante su análisis se sugieren modificaciones para este tipo de reactores que se traducirían en un menor número de kilovatios-hora consumidos por kilogramo de silicio producido. Para el caso del FBR, el modelado CFD permite analizar el efecto de una serie de parámetros sobre la distribución de temperaturas en el lecho fluidizado; y dicha distribución de temperaturas está directamente relacionada con los principales retos de este tipo de reactores. Por último, existen nuevos conceptos de depósito de polisilicio; éstos se aprovechan de la ventaja teórica de un mayor volumen depositado por unidad de tiempo -cuando una mayor superficie de depósito está disponible- con el objetivo de reducir la energía consumida por los reactores Siemens. Estos conceptos se exploran mediante cálculos teóricos y pruebas en el reactor Siemens de laboratorio. ABSTRACT This Doctoral Thesis comprises research on polysilicon production for photovoltaic (PV) applications through the chemical route: chemical vapor deposition (CVD) process. PV polysilicon is named solar grade silicon (SoG Si). On the one hand, the besetting CVD process for SoG Si production is based on the synthesis, distillation, and decomposition of thriclorosilane (TCS) in the so called Siemens reactor; high purity silicon is obtained at the expense of high energy consumption. Thus, lowering the energy consumption of the Siemens process is essential to achieve the two wider objectives for silicon-based PV technology: low production cost and low energy payback time. On the other hand, a valuable variation of this process considers the use of monosilane (MS) in a fluidized bed reactor (FBR); lower output material quality is obtained but it may fulfil the requirements for the PV industry. FBRs demand lower energy consumption than Siemens reactors but further research is necessary to address the actual challenges of these reactors. In short, this work is centered in polysilicon CVD process from TCS -Siemens reactor-; but it also offers insights on the strengths and weaknesses of the FBR for SoG Si production. In order to aid further development in polysilicon CVD is key the understanding of the fundamental reactions and how they influence the product quality, at the same time as to comprehend the phenomena responsible for the energy consumption. Experiments conducted in a laboratory Siemens reactor prove the satisfactory operation of the prototype reactor, and allow to acquire the knowledge that has been described. Complexity of the CVD reactors is stated and the heat loss problem associated with polysilicon CVD is addressed. All contributions to the energy consumption of Siemens reactors and FBRs are put forward; these phenomena are radiation and, conduction and convection via gases heat loss. In a Siemens reactor the major contributor to the energy consumption is radiation heat loss; in case of FBRs radiation and heat transfer due to mass transport are both important contributors. Theoretical models for radiation, conduction and convection heat loss in a Siemens reactor are developed; shaping a comprehensive theoretical model for heat loss in Siemens reactors. Limitations of the radiation heat loss model are put forward, and a novel contribution to the existing model is developed. The comprehensive model for heat loss is validated through a laboratory Siemens reactor, and results are scaled to industrial reactors. The process of conversion of TCS and MS gases to solid polysilicon is investigated by means of computational fluid-dynamics models. CFD models for a laboratory Siemens reactor and a FBR prototype are developed. Simulated results for both CVD prototypes are compared with experimental data. The developed models are used as a tool to investigate the parameters that more strongly influence both processes. For the Siemens reactors, both, the comprehensive theoretical model and the CFD model allow to identify the parameters responsible for the great power consumption, and thus, suggest some modifications that could decrease the ratio kilowatts-hour per kilogram of silicon produced. For the FBR, the CFD model allows to explore the effect of a number of parameters on the thermal distribution of the fluidized bed; that is the main actual challenge of these type of reactors. Finally, there exist new deposition surface concepts that take advantage of higher volume deposited per time unit -when higher deposition area is available- trying to reduce the high energy consumption of the Siemens reactors. These novel concepts are explored by means of theoretical calculations and tests in the laboratory Siemens prototype.

Intermittent pluri-sink model and the emergence of complex heterogeneity patterns: a simple paradigm for explaining complexity in soil chemical distributions

The spatial complexity of the distribution of organic matter, chemicals, nutrients, pollutants has been demonstrated to have multifractal nature (Kravchenco et al. [1]). This fact supports the possibility of existence of some emergent heterogeneity structure built under the evolution of the system. The aim of this note is providing a consistent explanation to the mentioned results via an extremely simple model.

Persistent inhibition of cell respiration by nitric oxide: Crucial role of S-nitrosylation of mitochondrial complex I and protective action of glutathione

Both reversible and irreversible inhibition of mitochondrial respiration have been reported following the generation of nitric oxide (NO) by cells. Using J774 cells, we have studied the effect of long-term exposure to NO on different enzymes of the respiratory chain. Our results show that, although NO inhibits complex IV in a way that is always reversible, prolonged exposure to NO results in a gradual and persistent inhibition of complex I that is concomitant with a reduction in the intracellular concentration of reduced glutathione. This inhibition appears to result from S-nitrosylation of critical thiols in the enzyme complex because it can be immediately reversed by exposing the cells to high intensity light or by replenishment of intracellular reduced glutathione. Furthermore, decreasing the concentration of reduced glutathione accelerates the process of persistent inhibition. Our results suggest that, although NO may regulate cell respiration physiologically by its action on complex IV, long-term exposure to NO leads to persistent inhibition of complex I and potentially to cell pathology.