Dielectrophoretic approaches to sample preparation and analysis

Dielectrophoresis (DEP) has been used to manipulate cells in low-conductivity suspending media using AC electrical fields generated on micro-fabricated electrode arrays. This has created the possibility of performing automatically on a micro-scale more sophisticated cell processing than that currently requiring substantial laboratory equipment, reagent volumes, time, and human intervention. In this research the manipulation of aqueous droplets in an immiscible, low-permittivity suspending medium is described to complement previous work on dielectrophoretic cell manipulation. Such droplets can be used as carriers not only for air- and water-borne samples, contaminants, chemical reagents, viral and gene products, and cells, but also the reagents to process and characterize these samples. A long-term goal of this area of research is to perform chemical and biological assays on automated, micro-scaled devices at or near the point-of-care, which will increase the availability of modern medicine to people who do not have ready access to large medical institutions and decrease the cost and delays associated with that lack of access. In this research I present proofs-of-concept for droplet manipulation and droplet-based biochemical analysis using dielectrophoresis as the motive force. Proofs-of-concept developed for the first time in this research include: (1) showing droplet movement on a two-dimensional array of electrodes, (2) achieving controlled dielectric droplet injection, (3) fusing and reacting droplets, and (4) demonstrating a protein fluorescence assay using micro-droplets. ^

Goal-oriented self-adaptive hp-strategies for finite element analysis of electromagnetic scattering and radiation problems

In this paper, a fully automatic goal-oriented hp-adaptive finite element strategy for open region electromagnetic problems (radiation and scattering) is presented. The methodology leads to exponential rates of convergence in terms of an upper bound of an user-prescribed quantity of interest. Thus, the adaptivity may be guided to provide an optimal error, not globally for the field in the whole finite element domain, but for specific parameters of engineering interest. For instance, the error on the numerical computation of the S-parameters of an antenna array, the field radiated by an antenna, or the Radar Cross Section on given directions, can be minimized. The efficiency of the approach is illustrated with several numerical simulations with two dimensional problem domains. Results include the comparison with the previously developed energy-norm based hp-adaptivity.

Perfect imaging of three object points with only two analytic lens surfaces in two dimensions

In this work, a new two-dimensional analytic optics design method is presented that enables the coupling of three ray sets with two lens profiles. This method is particularly promising for optical systems designed for wide field of view and with clearly separated optical surfaces. However, this coupling can only be achieved if different ray sets will use different portions of the second lens profile. Based on a very basic example of a single thick lens, the Simultaneous Multiple Surfaces design method in two dimensions (SMS2D) will help to provide a better understanding of the practical implications on the design process by an increased lens thickness and a wider field of view. Fermat?s principle is used to deduce a set of functional differential equations fully describing the entire optical system. The transformation of these functional differential equations into an algebraic linear system of equations allows the successive calculation of the Taylor series coefficients up to an arbitrary order. The evaluation of the solution space reveals the wide range of possible lens configurations covered by this analytic design method. Ray tracing analysis for calculated 20th order Taylor polynomials demonstrate excellent performance and the versatility of this new analytical optics design concept.

Application of the Boundary Element Method to the Analysis of Bridge Abutments

The B.E. technique is applied to an interesting dynamic problem: the interaction between bridges and their abutments. Several two-dimensional cases have been tested in relation with previously published analytical results. A three-dimensional case is also shown and different considerations in relation with the accuracy of the method are described.

Analysis of Magnetic Nozzles For Space Plasma Thrusters = Análisis de Toberas Magnéticas para Motores Espaciales de Plasma

Esta tesis presenta un análisis teórico del funcionamiento de toberas magnéticas para la propulsión espacial por plasmas. El estudio está basado en un modelo tridimensional y bi-fluido de la expansión supersónica de un plasma caliente en un campo magnético divergente. El modelo básico es ampliado progresivamente con la inclusión de términos convectivos dominantes de electrones, el campo magnético inducido por el plasma, poblaciones electrónicas múltiples a distintas temperaturas, y la capacidad de integrar el flujo en la región de expansión lejana. La respuesta hiperbólica del plasma es integrada con alta precisión y eficiencia haciendo uso del método de las líneas características. Se realiza una caracterización paramétrica de la expansión 2D del plasma en términos del grado de magnetización de iones, la geometría del campo magnético, y el perfil inicial del plasma. Se investigan los mecanismos de aceleración, mostrando que el campo ambipolar convierte la energía interna de electrones en energía dirigida de iones. Las corrientes diamagnéticas de Hall, que pueden hallarse distribuidas en el volumen del plasma o localizadas en una delgada capa de corriente en el borde del chorro, son esenciales para la operación de la tobera, ya que la fuerza magnética repulsiva sobre ellas es la encargada de confinar radialmente y acelerar axialmente el plasma. El empuje magnético es la reacción a esta fuerza sobre el motor. La respuesta del plasma muestra la separación gradual hacia adentro de los tubos de iones respecto de los magnéticos, lo cual produce la formación de corrientes eléctricas longitudinales y pone el plasma en rotación. La ganancia de empuje obtenida y las pérdidas radiales de la pluma de plasma se evalúan en función de los parámetros de diseño. Se analiza en detalle la separación magnética del plasma aguas abajo respecto a las líneas magnéticas (cerradas sobre sí mismas), necesaria para la aplicación de la tobera magnética a fines propulsivos. Se demuestra que tres teorías existentes sobre separación, que se fundamentan en la resistividad del plasma, la inercia de electrones, y el campo magnético que induce el plasma, son inadecuadas para la tobera magnética propulsiva, ya que producen separación hacia afuera en lugar de hacia adentro, aumentando la divergencia de la pluma. En su lugar, se muestra que la separación del plasma tiene lugar gracias a la inercia de iones y la desmagnetización gradual del plasma que tiene lugar aguas abajo, que permiten la separación ilimitada del flujo de iones respecto a las líneas de campo en condiciones muy generales. Se evalúa la cantidad de plasma que permanece unida al campo magnético y retorna hacia el motor a lo largo de las líneas cerradas de campo, mostrando que es marginal. Se muestra cómo el campo magnético inducido por el plasma incrementa la divergencia de la tobera magnética y por ende de la pluma de plasma en el caso propulsivo, contrariamente a las predicciones existentes. Se muestra también cómo el inducido favorece la desmagnetización del núcleo del chorro, acelerando la separación magnética. La hipótesis de ambipolaridad de corriente local, común a varios modelos de tobera magnética existentes, es discutida críticamente, mostrando que es inadecuada para el estudio de la separación de plasma. Una inconsistencia grave en la derivación matemática de uno de los modelos más aceptados es señalada y comentada. Incluyendo una especie adicional de electrones supratérmicos en el modelo, se estudia la formación y geometría de dobles capas eléctricas en el interior del plasma. Cuando dicha capa se forma, su curvatura aumenta cuanto más periféricamente se inyecten los electrones supratérmicos, cuanto menor sea el campo magnético, y cuanto más divergente sea la tobera magnética. El plasma con dos temperaturas electrónicas posee un mayor ratio de empuje magnético frente a total. A pesar de ello, no se encuentra ninguna ventaja propulsiva de las dobles capas, reforzando las críticas existentes frente a las propuestas de estas formaciones como un mecanismo de empuje. Por último, se presenta una formulación general de modelos autosemejantes de la expansión 2D de una pluma no magnetizada en el vacío. El error asociado a la hipótesis de autosemejanza es calculado, mostrando que es pequeño para plumas hipersónicas. Tres modelos de la literatura son particularizados a partir de la formulación general y comparados. Abstract This Thesis presents a theoretical analysis of the operation of magnetic nozzles for plasma space propulsion. The study is based on a two-dimensional, two-fluid model of the supersonic expansion of a hot plasma in a divergent magnetic field. The basic model is extended progressively to include the dominant electron convective terms, the plasma-induced magnetic field, multi-temperature electron populations, and the capability to integrate the plasma flow in the far expansion region. The hyperbolic plasma response is integrated accurately and efficiently with the method of the characteristic lines. The 2D plasma expansion is characterized parametrically in terms of the ion magnetization strength, the magnetic field geometry, and the initial plasma profile. Acceleration mechanisms are investigated, showing that the ambipolar electric field converts the internal electron energy into directed ion energy. The diamagnetic electron Hall current, which can be distributed in the plasma volume or localized in a thin current sheet at the jet edge, is shown to be central for the operation of the magnetic nozzle. The repelling magnetic force on this current is responsible for the radial confinement and axial acceleration of the plasma, and magnetic thrust is the reaction to this force on the magnetic coils of the thruster. The plasma response exhibits a gradual inward separation of the ion streamtubes from the magnetic streamtubes, which focuses the jet about the nozzle axis, gives rise to the formation of longitudinal currents and sets the plasma into rotation. The obtained thrust gain in the magnetic nozzle and radial plasma losses are evaluated as a function of the design parameters. The downstream plasma detachment from the closed magnetic field lines, required for the propulsive application of the magnetic nozzle, is investigated in detail. Three prevailing detachment theories for magnetic nozzles, relying on plasma resistivity, electron inertia, and the plasma-induced magnetic field, are shown to be inadequate for the propulsive magnetic nozzle, as these mechanisms detach the plume outward, increasing its divergence, rather than focusing it as desired. Instead, plasma detachment is shown to occur essentially due to ion inertia and the gradual demagnetization that takes place downstream, which enable the unbounded inward ion separation from the magnetic lines beyond the turning point of the outermost plasma streamline under rather general conditions. The plasma fraction that remains attached to the field and turns around along the magnetic field back to the thruster is evaluated and shown to be marginal. The plasmainduced magnetic field is shown to increase the divergence of the nozzle and the resulting plasma plume in the propulsive case, and to enhance the demagnetization of the central part of the plasma jet, contrary to existing predictions. The increased demagnetization favors the earlier ion inward separation from the magnetic field. The local current ambipolarity assumption, common to many existing magnetic nozzle models, is critically discussed, showing that it is unsuitable for the study of plasma detachment. A grave mathematical inconsistency in a well-accepted model, related to the acceptance of this assumption, is found out and commented on. The formation and 2D shape of electric double layers in the plasma expansion is studied with the inclusion of an additional suprathermal electron population in the model. When a double layer forms, its curvature is shown to increase the more peripherally suprathermal electrons are injected, the lower the magnetic field strength, and the more divergent the magnetic nozzle is. The twoelectron- temperature plasma is seen to have a greater magnetic-to-total thrust ratio. Notwithstanding, no propulsive advantage of the double layer is found, supporting and reinforcing previous critiques to their proposal as a thrust mechanism. Finally, a general framework of self-similar models of a 2D unmagnetized plasma plume expansion into vacuum is presented and discussed. The error associated with the self-similarity assumption is calculated and shown to be small for hypersonic plasma plumes. Three models of the literature are recovered as particularizations from the general framework and compared.

A 2D computational parametric analysis of the sheltering effect of fences on a railway vehicle standing on a bridge and experiencing crosswinds

In a crosswind scenario, the risk of high-speed trains overturning increases when they run on viaducts since the aerodynamic loads are higher than on the ground. In order to increase safety, vehicles are sheltered by fences that are installed on the viaduct to reduce the loads experienced by the train. Windbreaks can be designed to have different heights, and with or without eaves on the top. In this paper, a parametric study with a total of 12 fence designs was carried out using a two-dimensional model of a train standing on a viaduct. To asses the relative effectiveness of sheltering devices, tests were done in a wind tunnel with a scaled model at a Reynolds number of 1 × 105, and the train’s aerodynamic coefficients were measured. Experimental results were compared with those predicted by Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) simulations of flow, showing that a computational model is able to satisfactorily predict the trend of the aerodynamic coefficients. In a second set of tests, the Reynolds number was increased to 12 × 106 (at a free flow air velocity of 30 m/s) in order to simulate strong wind conditions. The aerodynamic coefficients showed a similar trend for both Reynolds numbers; however, their numerical value changed enough to indicate that simulations at the lower Reynolds number do not provide all required information. Furthermore, the variation of coefficients in the simulations allowed an explanation of how fences modified the flow around the vehicle to be proposed. This made it clear why increasing fence height reduced all the coefficients but adding an eave had an effect mainly on the lift force coefficient. Finally, by analysing the time signals it was possible to clarify the influence of the Reynolds number on the peak-to-peak amplitude, the time period and the Strouhal number.

Comparative study about the use of two and three-dimensional methods in surface finishing characterization

The increasing number of works related to the surface texture characterization based on 3D information, makes convenient rethinking traditional methods based on two-dimensional measurements from profiles. This work compares results between measurements obtained using two and three-dimensional methods. It uses three kinds of data sources: reference surfaces, randomly generated surfaces and measured. Preliminary results are presented. These results must be completed trying to cover a wider number of possibilities according to the manufacturing process and the measurement instrumentation since results can vary quite significantly between them.

BiGlobal and point vortex methods for the instability analysis of wakes

To better understand destruction mechanisms of wake-vortices behind aircraft, the point vortex method for stability (inviscid) used by Crow is here compared with viscous modal global stability analysis of the linearized Navier-Stokes equations acting on a two-dimensional basic flow, i.e. BiGlobal stability analysis. The fact that the BiGlobal method is viscous, and uses a flnite área vortex model, gives rise to results somewhat different from the point vortex model. It adds more parameters to the problem, but is more realistic.

Wind tunnel analysis of the aerodynamic loads on rolling stock over railway embankments: the effect of shelter windbreaks

Wind-flow pattern over embankments involves an overexposure of the rolling stock travelling on them to wind loads. Windbreaks are a common solution for changing the flow characteristic in order to decrease unwanted effects induced by the presence of crosswind. The shelter effectiveness of a set of windbreaks placed over a railway twin-track embankment is experimentally analysed. A set of two-dimensional wind tunnel tests are undertaken and results corresponding to pressure tap measurements over a section of a typical high-speed train are herein presented.The results indicate that even small-height windbreaks provide sheltering effects to the vehicles. Also, eaves located at the windbreak tips seem to improve their sheltering effect.

Instability Analysis of Incompressible Open Cavity Flows

El problema del flujo sobre una cavidad abierta ha sido estudiado en profundidad en la literatura, tanto por el interés académico del problema como por sus aplicaciones prácticas en gran variedad de problemas ingenieriles, como puede ser el alojamiento del tren de aterrizaje de aeronaves, o el depósito de agua de aviones contraincendios. Desde hace muchos a˜nos se estudian los distintos tipos de inestabilidades asociadas a este problema: los modos bidimensionales en la capa de cortadura, y los modos tridimensionales en el torbellino de recirculación principal dentro de la cavidad. En esta tesis se presenta un estudio paramétrico completo del límite incompresible del problema, empleando la herramienta de estabilidad lineal conocida como BiGlobal. Esta aproximación permite contemplar la estabilidad global del flujo, y obtener tanto la forma como las características de los modos propios del problema físico, sean estables o inestables. El estudio realizado permite caracterizar con gran detalle todos los modos relevantes, así como la envolvente de estabilidad en el espacio paramétrico del problema incompresible (Mach nulo, variación de Reynolds, espesor de capa límite incidente, relación altura/profundidad de la cavidad, y longitud característica de la perturbación en la dirección transversal). A la luz de los resultados obtenidos se proponen una serie de relaciones entre los parámetros y características de los modos principales, como por ejemplo entre el Reynolds crítico de un modo, y la longitud característica del mismo. Los resultados numéricos se contrastan con una campaña experimental, siendo la principal conclusión de dicha comparación que los modos lineales están presentes en el flujo real saturado, pero que existen diferencias notables en frecuencia entre las predicciones teóricas y los experimentos. Para intentar determinar la naturaleza de dichas diferencias se realiza una simulación numérica directa tridimensional, y se utiliza un algoritmo de DMD (descomposición dinámica de modos) para describir el proceso de saturación. ABSTRACT The problem of the flow over an open cavity has been studied in depth in the literature, both for being an interesting academical problem and due to the multitude of industrial applications, like the landing gear of aircraft, or the water deposit of firefighter airplanes. The different types of instabilities appearing in this flow studied in the literature are two: the two-dimensional shear layer modes, and the three-dimensional modes that appear in the main recirculating vortex inside the cavity. In this thesis a parametric study in the incompressible limit of the problem is presented, using the linear stability analysis known as BiGlobal. This approximation allows to obtain the global stability behaviour of the flow, and to capture both the morphological features and the characteristics of the eigenmodes of the physical problem, whether they are stable or unstable. The study presented here characterizes with great detail all the relevant eigenmodes, as well as the hypersurface of instability on the parameter space of the incompressible problem (Mach equal to zero, and variation of the Reynolds number, the incoming boundary layer thickness, the length to depth aspect ratio of the cavity and the spanwise length of the perturbation). The results allow to construct parametric relations between the characteristics of the leading eigenmodes and the parameters of the problem, like for example the one existing between the critical Reynolds number and its characteristic length. The numerical results presented here are compared with those of an experimental campaign, with the main conclusion of said comparison being that the linear eigenmode are present in the real saturated flow, albeit with some significant differences in the frequencies of the experiments and those predicted by the theory. To try to determine the nature of those differences a three-dimensional direct numerical simulation, analyzed with Dynamic Mode Decomposition algorithm, was used to describe the process of saturation.

A nonlinear analysis of laying a floating pipeline on the seabed

In this article, a model for the determination of displacements, strains, and stresses of a submarine pipeline during its construction is presented. Typically, polyethylene outfall pipelines are the ones treated by this model. The process is carried out from an initial floating situation to the final laying position on the seabed. The following control variables are considered in the laying process: the axial load in the pipe, the flooded inner length, and the distance of the control barge from the coast. External loads such as self-weight, dead loads, and forces due to currents and small waves are also taken into account.This paper describes both the conceptual framework for the proposed model and its practical application in a real engineering situation. The authors also consider how the model might be used as a tool to study how sensitive the behavior of the pipeline is to small changes in the values of the control variables. A detailed description of the actions is considered, especially the ones related to the marine environment such as buoyancy, current, and sea waves. The structural behavior of the pipeline is simulated in the framework of a geometrically nonlinear dynamic analysis. The pipeline is assumed to be a two-dimensional Navier_Bernoulli beam. In the nonlinear analysis an updated Lagrangian formulation is used, and special care is taken regarding the numerical aspects of sea bed contact, follower forces due to external water pressures, and dynamic actions. The paper concludes by describing the implementation of the proposed techniques, using the ANSYS computer program with a number of subroutines developed by the authors. This implementation permits simulation of the two-dimensional structural pipe behavior of the whole construction process. A sensitivity analysis of the bending moments, axial forces, and stresses for different values of the control variables is carried out. Using the techniques described, the engineer may optimize the construction steps in the pipe laying process

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

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

Direct and adjoint global stability analysis of turbulent transonic flows over a NACA0012 profile

In this work, various turbulent solutions of the two-dimensional (2D) and three-dimensional compressible Reynolds averaged Navier?Stokes equations are analyzed using global stability theory. This analysis is motivated by the onset of flow unsteadiness (Hopf bifurcation) for transonic buffet conditions where moderately high Reynolds numbers and compressible effects must be considered. The buffet phenomenon involves a complex interaction between the separated flow and a shock wave. The efficient numerical methodology presented in this paper predicts the critical parameters, namely, the angle of attack and Mach and Reynolds numbers beyond which the onset of flow unsteadiness appears. The geometry, a NACA0012 profile, and flow parameters selected reproduce situations of practical interest for aeronautical applications. The numerical computation is performed in three steps. First, a steady baseflow solution is obtained; second, the Jacobian matrix for the RANS equations based on a finite volume discretization is computed; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived when the baseflow is linearly perturbed. The methodology is validated predicting the 2D Hopf bifurcation for a circular cylinder under laminar flow condition. This benchmark shows good agreement with the previous published computations and experimental data. In the transonic buffet case, the baseflow is computed using the Spalart?Allmaras turbulence model and represents a mean flow where the high frequency content and length scales of the order of the shear-layer thickness have been averaged. The lower frequency content is assumed to be decoupled from the high frequencies, thus allowing a stability analysis to be performed on the low frequency range. In addition, results of the corresponding adjoint problem and the sensitivity map are provided for the first time for the buffet problem. Finally, an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil, where all velocity components are considered, was also analyzed as a Triglobal stability case, and the outcoming results were compared to the previous 2D limited model, confirming that the buffet onset is well detected.

Global Stability Analysis of Turbulent Transonic Flows on Airfoil geometries

La aparición de inestabilidades en un flujo es un problema importante que puede afectar a algunas aplicaciones aerodinámicas. De hecho existen diferentes tipos de fenómenos no-estacionarios que actualmente son tema de investigación; casos como la separación a altos ángulos de ataque o el buffet transónico son dos ejemplos de cierta relevancia. El análisis de estabilidad global permite identificar la aparición de dichas condiciones inestables, proporcionando información importante sobre la región donde la inestabilidad es dominante y sobre la frecuencia del fenómeno inestable. La metodología empleada es capaz de calcular un flujo base promediado mediante una discretización con volúmenes finitos y posteriormente la solución de un problema de autovalores asociado a la linealización que aparece al perturbar el flujo base. El cálculo numérico se puede dividir en tres pasos: primero se calcula una solución estacionaria para las ecuaciones RANS, luego se extrae la matriz del Jacobiano que representa el problema linealizado y finalmente se deriva y se resuelve el problema de autovalores generalizado mediante el método iterativo de Arnoldi. Como primer caso de validación, la técnica descrita ha sido aplicada a un cilindro circular en condiciones laminares para detectar el principio de las oscilaciones de los vórtices de von Karman, y se han comparado los resultados con experimentos y cálculos anteriores. La parte más importante del estudio se centra en el análisis de flujos compresibles en régimen turbulento. La predicción de la aparición y la progresión de flujo separado a altos ángulos de ataque se han estudiado en el perfil NACA0012 en condiciones tanto subsónicas como supersónicas y en una sección del ala del A310 en condiciones de despegue. Para todas las geometrías analizadas, se ha podido observar que la separación gradual genera la aparición de un modo inestable específico para altos ángulos de ataque siempre mayores que el ángulo asociado al máximo coeficiente de sustentación. Además, se ha estudiado el problema adjunto para obtener información sobre la zona donde una fuerza externa provoca el máximo cambio en el campo fluido. El estudio se ha completado calculando el mapa de sensibilidad estructural y localizando el centro de la inestabilidad. En el presente trabajo de tesis se ha analizado otro importante fenómeno: el buffet transónico. En condiciones transónicas, la interacción entre la onda de choque y la capa límite genera una oscilación de la posición de la onda de choque y, por consiguiente, de las fuerzas aerodinámicas. El conocimiento de las condiciones críticas y su origen puede ayudar a evitar la oscilación causada por estas fuerzas. Las condiciones para las cuales comienza la inestabilidad han sido calculadas y comparadas con trabajos anteriores. Por otra parte, los resultados del correspondiente problema adjunto y el mapa de sensibilidad se han obtenido por primera vez para el buffet, indicando la región del dominio que sera necesario modificar para crear el mayor cambio en las propiedades del campo fluido. Dado el gran consumo de memoria requerido para los casos 3D, se ha realizado un estudio sobre la reducción del domino con la finalidad de reducirlo a la región donde está localizada la inestabilidad. La eficacia de dicha reducción de dominio ha sido evaluada investigando el cambio en la dimensión de la matriz del Jacobiano, no resultando muy eficiente en términos del consumo de memoria. Dado que el buffet es un problema en general tridimensional, el análisis TriGlobal de una geometría 3D podría considerarse el auténtico reto futuro. Como aproximación al problema, un primer estudio se ha realizado empleando una geometría tridimensional extruida del NACA00f2. El cálculo del flujo 3D y, por primera vez en casos tridimensionales compresibles y turbulentos, el análisis de estabilidad TriGlobal, se han llevado a cabo. La comparación de los resultados obtenidos con los resultados del anterior modelo 2D, ha permitido, primero, verificar la exactitud del cálculo 2D realizado anteriormente y también ha proporcionado una estimación del consumo de memoria requerido para el caso 3D. ABSTRACT Flow unsteadiness is an important problem in aerodynamic applications. In fact, there are several types of unsteady phenomena that are still at the cutting edge of research in the field; separation at high angles of attack and transonic buffet are two important examples. Global Stability Analysis can identify the unstable onset conditions, providing important information about the instability location in the domain and the frequency of the unstable phenomenon. The methodology computes a base flow averaged state based on a finite volume discretization and a solution for a generalized eigenvalue problem corresponding to the perturbed linearized equations. The numerical computation is then performed in three steps: first, a steady solution for the RANS equation is computed; second, the Jacobian matrix that represents the linearized problem is obtained; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived and solved with an Arnoldi iterative method. As a first validation test, the technique has been applied on a laminar circular cylinder in order to detect the von Karman vortex shedding onset, comparing the results with experiments and with previous calculations. The main part of the study focusses on turbulent and compressible cases. The prediction of the origin and progression of separated flows at high angles of attack has been studied on the NACA0012 airfoil at subsonic and transonic conditions and for the A310 airfoil in take-off configuration. For all the analyzed geometries, it has been found that gradual separation generates the appearance of one specific unstable mode for angles of attack always greater than the ones related to the maximum lift coefficient. In addition, the adjoint problem has been studied to suggest the location of an external force that results in the largest change to the flow field. From the direct and the adjoint analysis the structural sensitivity map has been computed and the core of the instability has been located. The other important phenomenon analyzed in this work is the transonic buffet. In transonic conditions, the interaction between the shock wave and the boundary layer leads to an oscillation of the shock location and, consequently, of the aerodynamic forces. Knowing the critical operational conditions and its origin can be helpful in preventing such fluctuating forces. The instability onset has then been computed and compared with the literature. Moreover, results of the corresponding adjoint problem and a sensitivity map have been provided for the first time for the buffet problem, indicating the region that must be modified to create the biggest change in flow field properties. Because of the large memory consumption required when a 3D case is approached, a domain reduction study has been carried out with the aim of limiting the domain size to the region where the instability is located. The effectiveness of the domain reduction has been evaluated by investigating the change in the Jacobian matrix size, not being very efficient in terms of memory consumption. Since buffet is a three-dimensional problem, TriGlobal stability analysis can be seen as a future challenge. To approximate the problem, a first study has been carried out on an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil. The 3D flow computation and the TriGlobal stability analysis have been performed for the first time on a compressible and turbulent 3D case. The results have been compared with a 2D model, confirming that the buffet onset evaluated in the 2D case is well detected. Moreover, the computation has given an indication about the memory consumption for a 3D case.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.