Surface InGaAs nanostructures for sensing applications

El desarrollo de sensores está ganando cada vez mayor importancia debido a la concienciación ciudadana sobre el medio ambiente haciendo que su desarrollo sea muy elevado en todas las disciplinas, entre las que cabe destacar, la medicina, la biología y la química. A pesar de la existencia de estos dispositivos, este área está aún por mejorar, ya que muchos de los materiales propuestos hasta el momento e incluso los ya comercializados muestran importantes carencias de funcionamiento, eficiencia e integrabilidad entre otros. Para la mejora de estos dispositivos, se han propuesto diversas aproximaciones basadas en nanosistemas. Quizá, uno de las más prometedoras son las nanoestructuras de punto cuántico, y en particular los semiconductores III-V basados en la consolidada tecnología de los arseniuros, las cuáles ofrecen excelentes propiedades para su uso como sensores. Además, estudios recientes demuestran su gran carácter sensitivo al medio ambiente, la posibilidad de funcionalizar la superficie para la fabricación de sensores interdisciplinares y posibilididad de mejorar notablemente su eficiencia. A lo largo de esta tesis, nos centramos en la investigación de SQD de In0.5Ga0.5As sobre substratos de GaAs(001) para el desarrollo de sensores de humedad. La tesis abarca desde el diseño, crecimiento y caracterización de las muestras hasta la el posterior procesado y caracterización de los dispositivos finales. La optimización de los parámetros de crecimiento es fundamental para conseguir una nanoestructura con las propiedades operacionales idóneas para un fin determinado. Como es bien sabido en la literatura, los parámetros de crecimiento (temperatura de crecimiento, relación de flujos del elemento del grupo V y del grupo I II (V/III), velocidad de crecimiento y tratamiento térmico después de la formación de la capa activa) afectan directamente a las propiedades estructurales, y por tanto, operacionales de los puntos cuánticos (QD). En esta tesis, se realiza un estudio de las condiciones de crecimiento para el uso de In0.5Ga0.5As SQDs como sensores. Para los parámetros relacionados con la temperatura de crecimiento de los QDs y la relación de flujos V / I I I se utilizan los estudios previamente realizados por el grupo. Mientras que este estudio se centrará en la importancia de la velocidad de crecimiento y en el tratamiento térmico justo después de la nucleación de los QDs. Para ello, se establece la temperatura de creciemiento de los QDs en 430°C y la relación de flujos V/III en 20. Como resultado, los valores más adecuados que se obtienen para la velocidad de crecimiento y el tratamiento térmico posterior a la formación de los puntos son, respectivamente, 0.07ML/s y la realización de una bajada y subida brusca de la temperatura del substrato de 100°C con respecto a la temperatura de crecimiento de los QDs. El crecimiento a una velocidad lo suficientemente alta que permita la migración de los átomos por la superficie, pero a su vez lo suficientemente baja para que se lleve a cabo la nucleación de los QDs; en combinación con el tratamiento brusco de temperatura que hace que se conserve la forma y composición de los QDs, da lugar a unos SQDs con un alto grado de homogeneidad y alta densidad superficial. Además, la caracterización posterior indica que estas nanoestructuras de gran calidad cristalina presentan unas propiedades ópticas excelentes incluso a temperatura ambiente. Una de las características por la cual los SQD de Ino.5Gao.5As se consideran candidatos prometedores para el desarrollo de sensores es el papel decisivo que juega la superficie por el mero hecho de estar en contacto directo con las partículas del ambiente y, por tanto, por ser capaces de interactuar con sus moléculas. Así pues, con el fin de demostrar la idoneidad de este sistema para dicha finalidad, se evalúa el impacto ambiental en las propiedades ópticas y eléctricas de las muestras. En un primer lugar, se analiza el efecto que tiene el medio en las propiedades ópticas. Para dicha evaluación se compara la variación de las propiedades de emisión de una capa de puntos enterrada y una superficial en distintas condiciones externas. El resultado que se obtiene es muy claro, los puntos enterrados no experimentan un cambio óptico apreciable cuando se varían las condiciones del entorno; mientras que, la emisión de los SQDs se modifica significativamente con las condiciones del medio. Por una parte, la intensidad de emisión de los puntos superficiales desaparece en condiciones de vacío y decrece notablemente en atmósferas secas de gases puros (N2, O2). Por otra parte, la fotoluminiscencia se conserva en ambientes húmedos. Adicionalmente, se observa que la anchura a media altura y la longitud de onda de emisión no se ven afectadas por los cambios en el medio, lo que indica, que las propiedades estructurales de los puntos se conservan al variar la atmósfera. Estos resultados apuntan directamente a los procesos que tienen lugar en la superficie entre estados confinados y superficiales como responsables principales de este comportamiento. Así mismo, se ha llevado a cabo un análisis más detallado de la influencia de la calidad y composición de la atmósfera en las propiedades ópticas de los puntos cuánticos superficiales. Para ello, se utilizan distintas sustancias con diferente polaridad, composición atómica y masa molecular. Como resultado se observa que las moléculas de menor polaridad y más pesadas causan una mayor variación en la intensidad de emisión. Además, se demuestra que el oxígeno juega un papel decisivo en las propiedades ópticas. En presencia de moléculas que contienen oxígeno, la intensidad de fotoluminiscencia disminuye menos que en atmósferas constituidas por especies que no contienen oxígeno. Las emisión que se observa respecto a la señal en aire es del 90% y del 77%, respectivamente, en atmósferas con presencia o ausencia de moléculas de oxígeno. El deterioro de la señal de emisión se atribuye a la presencia de defectos, enlaces insaturados y, en general, estados localizados en la superficie. Estos estados actúan como centros de recombinación no radiativa y, consecuentemente, se produce un empeoramiento de las propiedades ópticas de los SQDs. Por tanto, la eliminación o reducción de la densidad de estos estados superficiales haría posible una mejora de la intensidad de emisión. De estos experimentos de fotoluminiscencia, se deduce que las interacciones entre las moléculas presentes en la atmósfera y la superficie de la muestra modifican la superficie. Esta alteración superficial se traduce en un cambio significativo en las propiedades de emisión. Este comportamiento se atribuye a la posible adsorción de moléculas sobre la superficie pasivando los centros no radiativos, y como consecuencia, mejorando las propiedades ópticas. Además, los resultados demuestran que las moléculas que contienen oxígeno con mayor polaridad y más ligeras son adsorbidas con mayor facilidad, lo que hace que la intensidad óptica sufra variaciones despreciables con respecto a la emisión en aire. Con el fin de desarrollar sensores, las muestras se procesan y los dispositivos se caracterizan eléctricamente. El procesado consiste en dos contactos cuadrados de una aleación de Ti/Au. Durante el procesado, lo más importante a tener en cuenta es no realizar ningún ataque o limpieza que pueda dañar la superficie y deteriorar las propiedades de las nanostructuras. En este apartado, se realiza un análisis completo de una serie de tres muestras: GaAs (bulk), un pozo cuántico superficial (SQW) de Ino.5Gao.5As y SQDs de Ino.5Gao.5As. Para ello, a cada una de las muestras se le realizan medidas de I-V en distintas condiciones ambientales. En primer lugar, siguiendo los resultados obtenidos ópticamente, se lleva a cabo una comparación de la respuesta eléctrica en vacío y aire. A pesar de que todas las muestras presentan un carácter más resistivo en vacío que en aire, se observa una mayor influencia sobre la muestra de SQD. En vacío, la resistencia de los SQDs decrece un 99% respecto de su valor en aire, mientras que la variación de la muestras de GaAs e Ino.5Gao.5As SQW muestran una reducción, respectivamente, del 31% y del 20%. En segundo lugar, se realiza una evaluación aproximada del posible efecto de la humedad en la resistencia superficial de las muestras mediante la exhalación humana. Como resultado se obtiene, que tras la exhalación, la resistencia disminuye bruscamente y recupera su valor inicial cuando dicho proceso concluye. Este resultado preliminar indica que la humedad es un factor crítico en las propiedades eléctricas de los puntos cuánticos superficiales. Para la determinación del papel de la humedad en la respuesta eléctrica, se somete a las muestras de SQD y SQW a ambientes con humedad relativa (RH, de la siglas del inglés) controlada y se analiza el efecto sobre la conductividad superficial. Tras la variación de la RH desde 0% hasta el 70%, se observa que la muestra SQW no cambia su comportamiento eléctrico al variar la humedad del ambiente. Sin embargo, la respuesta de la muestra SQD define dos regiones bien diferenciadas, una de alta sensibilidad para valores por debajo del 50% de RH, en la que la resistencia disminuye hasta en un orden de magnitud y otra, de baja sensibilidad (>50%), donde el cambio de la resistencia es menor. Este resultado resalta la especial relevancia no sólo de la composición sino también de la morfología de la nanostructura superficial en el carácter sensitivo de la muestra. Por último, se analiza la influencia de la iluminación en la sensibilidad de la muestra. Nuevamente, se somete a las muestras SQD y SQW a una irradiación de luz de distinta energía y potencia a la vez que se varía controladamente la humedad ambiental. Una vez más, se observa que la muestra SQW no presenta ninguna variación apreciable con las alteraciones del entorno. Su resistencia superficial permanece prácticamente inalterable tanto al modificar la potencia de la luz incidente como al variar la energía de la irradiación. Por el contrario, en la muestra de SQD se obtiene una reducción la resistencia superficial de un orden de magnitud al pasar de condiciones de oscuridad a iluminación. Con respecto a la potencia y energía de la luz incidente, se observa que a pesar de que la muestra no experimenta variaciones notables con la potencia de la irradiación, esta sufre cambios significativos con la energía de la luz incidente. Cuando se ilumina con energías por encima de la energía de la banda prohibida (gap) del GaAs (Eg ~1.42 eV ) se produce una reducción de la resistencia de un orden de magnitud en atmósferas húmedas, mientras que en atmósferas secas la conductividad superficial permanece prácticamente constante. Sin embargo, al inicidir con luz de energía menor que Eg, el efecto que se produce en la respuesta eléctrica es despreciable. Esto se atribuye principalmente a la densidad de portadores fotoactivados durante la irradiación. El volumen de portadores excita dos depende de la energía de la luz incidente. De este modo, cuando la luz que incide tiene energía menor que el gap, el volumen de portadores generados es pequeño y no contribuye a la conductividad superficial. Por el contrario, cuando la energía de la luz incidente es alta (Eg), el volumen de portadores activados es elevado y éstos contribuyen significantemente a la conductividad superficial. La combinación de ambos agentes, luz y humedad, favorece el proceso de adsorción de moléculas y, por tanto, contribuye a la reducción de la densidad de estados superficiales, dando lugar a una modificación de la estructura electrónica y consecuentemente favoreciendo o dificultando el transporte de portadores. ABSTRACT Uncapped three-dimensional (3D) nanostructures have been generally grown to assess their structural quality. However, the tremendous growing importance of the impact of the environment on life has become such nanosystems in very promising candidates for the development of sensing devices. Their direct exposure to changes in the local surrounding may influence their physical properties being a perfect sign of the atmosphere quality. The goal of this thesis is the research of Ino.5Gao.5As surface quantum dots (SQDs) on GaAs(001), covering from their growth to device fabrication, for sensing applications. The achievement of this goal relies on the design, growth and sample characterization, along with device fabrication and characterization. The first issue of the thesis is devoted to analyze the main growth parameters affecting the physical properties of the Ino.5Gao.5As SQDs. It is well known that the growing conditions (growth temperature , deposition rate, V/III flux ratio and treatment after active layer growth) directly affect the physical properties of the epilayer. In this part, taking advantage of the previous results in the group regarding Ino.5Gao.5As QD growth temperature and V/III ratio, the effect of the growth rate and the temperature treatment after QDs growth nucleation is evaluated. Setting the QDs growth temperature at 430°C and the V/III flux ratio to ~20, it is found that the most appropriate conditions rely on growing the QDs at 0.07ML/s and just after QD nucleation, rapidly dropping and again raising 100°C the substrate temperature with respect to the temperature of QD growth. The combination of growing at a fast enough growth rate to promote molecule migration but sufficiently slow to allow QD nucleation, together with the sharp variation of the temperature preserving their shape and composition yield to high density, homogeneous Ino.5Gao.5As SQDs. Besides, it is also demonstrated that this high quality SQDs show excellent optical properties even at room temperature (RT). One of the characteristics by which In0.5Ga0.5As/GaAs SQDs are considered promising candidates for sensing applications is the crucial role that surface plays when interacting with the gases constituting the atmosphere. Therefore, in an attempt to develop sensing devices, the influence of the environment on the physical properties of the samples is evaluated. By comparing the resulting photoluminescence (PL) of SQDs with buried QDs (BQDs), it is found that BQDs do not exhibit any significant variation when changing the environmental conditions whereas, the external conditions greatly act on the SQDs optical properties. On one hand, it is evidenced that PL intensity of SQDs sharply quenches under vacuum and clearly decreases under dry-pure gases atmospheres (N2, O2). On the other hand, it is shown that, in water containing atmospheres, the SQDs PL intensity is maintained with respect to that in air. Moreover, it is found that neither the full width at half maximun nor the emission wavelength manifest any noticeable change indicating that the QDs are not structurally altered by the external atmosphere. These results decisively point to the processes taking place at the surface such as coupling between confined and surface states, to be responsible of this extraordinary behavior. A further analysis of the impact of the atmosphere composition on the optical characteristics is conducted. A sample containing one uncapped In0.5Ga0.5As QDs layer is exposed to different environments. Several solvents presenting different polarity, atomic composition and molecular mass, are used to change the atmosphere composition. It is revealed that low polarity and heavy molecules cause a greater variation on the PL intensity. Besides, oxygen is demonstrated to play a decisive role on the PL response. Results indicate that in presence of oxygen-containing molecules, the PL intensity experiments a less reduction than that suffered in presence of nonoxygen-containing molecules, 90% compared to 77% signal respect to the emission in air. In agreement with these results, it is demonstrated that high polarity and lighter molecules containing oxygen are more easily adsorbed, and consequently, PL intensity is less affected. The presence of defects, unsaturated bonds and in general localized states in the surface are proposed to act as nonradiative recombination centers deteriorating the PL emission of the sample. Therefore, suppression or reduction of the density of such states may lead to an increase or, at least, conservation of the PL signal. This research denotes that the interaction between sample surface and molecules in the atmosphere modifies the surface characteristics altering thus the optical properties. This is attributed to the likely adsoption of some molecules onto the surface passivating the nonradiative recombination centers, and consequently, not deteriorating the PL emission. Aiming for sensors development, samples are processed and electrically characterized under different external conditions. Samples are processed with two square (Ti/Au) contacts. During the processing, especial attention must be paid to the surface treatment. Any process that may damage the surface such as plasma etching or annealing must be avoided to preserve the features of the surface nanostructures. A set of three samples: a GaAs (bulk), In0.5Ga0.5As SQDs and In0.5Ga0.5As surface quantum well (SQW) are subjected to a throughout evaluation. I-V characteristics are measured following the results from the optical characterization. Firstly, the three samples are exposed to vacuum and air. Despite the three samples exhibit a more resistive character in vacuum than in air, it is revealed a much more clear influence of the pressure atmosphere in the SQDs sample. The sheet resistance (Rsh) of SQDs decreases a 99% from its response value under vacuum to its value in air, whereas Rsh of GaAs and In0.5Ga0.5As SQW reduces its value a 31% and a 20%, respectively. Secondly, a rough analysis of the effect of the human breath on the electrical response evidences the enormous influence of moisture (human breath is composed by several components but the one that overwhelms all the rest is the high concentration of water vapor) on the I-V characteristics. Following this result, In0.5Ga0.5As SQDs and In0.5Ga0.5As SQW are subjected to different controlled relative humidity (RH) environments (from 0% to 70%) and electrically characterized. It is found that SQW shows a nearly negligible Rsh variation when increasing the RH in the surroundings. However, the response of SQDs to changes in the RH defines two regions. Below 50%, high sensitive zone, Rsh of SQD decreases by more than one order of magnitude, while above 50% the dependence of Rsh on the RH becomes weaker. These results remark the role of the surface and denote the existence of a finite number of surface states. Nevertheless, most significantly, they highlight the importance not only of the material but also of the morphology. Finally, the impact of the illumination is determined by means of irradiating the In0.5Ga0.5As SQDs and In0.5Ga0.5As SQW samples with different energy and power sources. Once again, SQW does not exhibit any correlation between the surface conductivity and the external conditions. Rsh remains nearly unalterable independently of the energy and power of the incident light. Conversely, Rsh of SQD experiences a decay of one order of magnitude from dark-to-photo conditions. This is attributed to the less density of surface states of SQW compared to that of SQDs. Additionally, a different response of Rsh of SQD with the energy of the impinging light is found. Illuminating with high energy light results in a Rsh reduction of one order of mag nitude under humid atmospheres, whereas it remains nearly unchanged under dry environments. On the contrary, light with energy below the bulk energy bandgap (Eg), shows a negligible effect on the electrical properties regardless the local moisture. This is related to the density of photocarriers generated while lighting up. Illuminating with excitation energy below Eg affects a small absorption volume and thus, a low density of photocarriers may be activated leading to an insignificant contribution to the conductivity. Nonetheless, irradiating with energy above the Eg can excite a high density of photocarriers and greatly improve the surface conductivity. These results demonstrate that both illumination and humidity are therefore needed for sensing. The combination of these two agents improves the surface passivation by means of molecule adsorption reducing the density of surface states, thus modifying the electronic structures, and consequently, promoting the carrier motion.

Direct Vlasov simulations of electron-attracting cylindrical Langmuir probes in flowing plasmas

Current collection by positively polarized cylindrical Langmuir probes immersed in flowing plasmas is analyzed using a non-stationary direct Vlasov-Poisson code. A detailed description of plasma density spatial structure as a function of the probe-to-plasma relative velocity U is presented. Within the considered parametric domain, the well-known electron density maximum close to the probe is weakly affected by U. However, in the probe wake side, the electron density minimum becomes deeper as U increases and a rarified plasma region appears. Sheath radius is larger at the wake than at the front side. Electron and ion distribution functions show specific features that are the signature of probe motion. In particular, the ion distribution function at the probe front side exhibits a filament with positive radial velocity. It corresponds to a population of rammed ions that were reflected by the electric field close to the positively biased probe. Numerical simulations reveal that two populations of trapped electrons exist: one orbiting around the probe and the other with trajectories confined at the probe front side. The latter helps to neutralize the reflected ions, thus explaining a paradox in past probe theory.

An experimental and numerical study of ductile failure under quasi-static and impact loadings of Inconel 718 nickel-base superalloy

A numerical and experimental study of ballistic impacts at various temperatures on precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy plates has been performed. A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion has been implemented in LS-DYNA non-linear finite element code to model the mechanical behaviour of such an alloy. The ballistic impact tests have been carried out at three temperatures: room temperature (25 °C), 400 °C and 700 °C. The numerical study showed that the mesh size is crucial to predict correctly the shear bands detected in the tested plates. Moreover, the mesh size convergence has been achieved for element sizes on the same order that the shear bands. The residual velocity as well as the ballistic limit prediction has been considered excellent for high temperature ballistic tests. Nevertheless, the model has been less accurate for the numerical simulations performed at room temperature, being though in reasonable agreement with the experimental data. Additionally, the influence that the Lode angle had on quasi-static failure patterns such as cup-cone and slanted failure has been studied numerically. The study has revealed that the combined action of weakened constitutive equations and Lode angle dependent failure criterion has been necessary to predict the previously-mentioned failure patterns

Time-resolved evolution of coherent structures in turbulent channels

El objetivo de esta tesis es estudiar la dinámica de la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. En concreto, proponemos un nuevo modelo estructural utilizando diferentes tipos de estructuras coherentes: sweeps, eyecciones, grupos de vorticidad y streaks. La herramienta utilizada es la simulación numérica directa de canales turbulentos. Desde los primeros trabajos de Theodorsen (1952), las estructuras coherentes han jugado un papel fundamental para entender la organización y dinámica de los flujos turbulentos. A día de hoy, datos procedentes de simulaciones numéricas directas obtenidas en instantes no contiguos permiten estudiar las propiedades fundamentales de las estructuras coherentes tridimensionales desde un punto de vista estadístico. Sin embargo, la dinámica no puede ser entendida en detalle utilizando sólo instantes aislados en el tiempo, sino que es necesario seguir de forma continua las estructuras. Aunque existen algunos estudios sobre la evolución temporal de las estructuras más pequeñas a números de Reynolds moderados, por ejemplo Robinson (1991), todavía no se ha realizado un estudio completo a altos números de Reynolds y para todas las escalas presentes de la capa logarítmica. El objetivo de esta tesis es llevar a cabo dicho análisis. Los problemas más interesantes los encontramos en la región logarítmica, donde residen las cascadas de vorticidad, energía y momento. Existen varios modelos que intentan explicar la organización de los flujos turbulentos en dicha región. Uno de los más extendidos fue propuesto por Adrian et al. (2000) a través de observaciones experimentales y considerando como elemento fundamental paquetes de vórtices con forma de horquilla que actúan de forma cooperativa para generar rampas de bajo momento. Un modelo alternativo fué ideado por del Álamo & Jiménez (2006) utilizando datos numéricos. Basado también en grupos de vorticidad, planteaba un escenario mucho más desorganizado y con estructuras sin forma de horquilla. Aunque los dos modelos son cinemáticamente similares, no lo son desde el punto de vista dinámico, en concreto en lo que se refiere a la importancia que juega la pared en la creación y vida de las estructuras. Otro punto importante aún sin resolver se refiere al modelo de cascada turbulenta propuesto por Kolmogorov (1941b), y su relación con estructuras coherentes medibles en el flujo. Para dar respuesta a las preguntas anteriores, hemos desarrollado un nuevo método que permite seguir estructuras coherentes en el tiempo y lo hemos aplicado a simulaciones numéricas de canales turbulentos con números de Reynolds lo suficientemente altos como para tener un rango de escalas no trivial y con dominios computacionales lo suficientemente grandes como para representar de forma correcta la dinámica de la capa logarítmica. Nuestros esfuerzos se han desarrollado en cuatro pasos. En primer lugar, hemos realizado una campaña de simulaciones numéricas directas a diferentes números de Reynolds y tamaños de cajas para evaluar el efecto del dominio computacional en las estadísticas de primer orden y el espectro. A partir de los resultados obtenidos, hemos concluido que simulaciones con cajas de longitud 2vr y ancho vr veces la semi-altura del canal son lo suficientemente grandes para reproducir correctamente las interacciones entre estructuras coherentes de la capa logarítmica y el resto de escalas. Estas simulaciones son utilizadas como punto de partida en los siguientes análisis. En segundo lugar, las estructuras coherentes correspondientes a regiones con esfuerzos de Reynolds tangenciales intensos (Qs) en un canal turbulento han sido estudiadas extendiendo a tres dimensiones el análisis de cuadrantes, con especial énfasis en la capa logarítmica y la región exterior. Las estructuras coherentes han sido identificadas como regiones contiguas del espacio donde los esfuerzos de Reynolds tangenciales son más intensos que un cierto nivel. Los resultados muestran que los Qs separados de la pared están orientados de forma isótropa y su contribución neta al esfuerzo de Reynolds medio es nula. La mayor contribución la realiza una familia de estructuras de mayor tamaño y autosemejantes cuya parte inferior está muy cerca de la pared (ligada a la pared), con una geometría compleja y dimensión fractal « 2. Estas estructuras tienen una forma similar a una ‘esponja de placas’, en comparación con los grupos de vorticidad que tienen forma de ‘esponja de cuerdas’. Aunque el número de objetos decae al alejarnos de la pared, la fracción de esfuerzos de Reynolds que contienen es independiente de su altura, y gran parte reside en unas pocas estructuras que se extienden más allá del centro del canal, como en las grandes estructuras propuestas por otros autores. Las estructuras dominantes en la capa logarítmica son parejas de sweeps y eyecciones uno al lado del otro y con grupos de vorticidad asociados que comparten las dimensiones y esfuerzos con los remolinos ligados a la pared propuestos por Townsend. En tercer lugar, hemos estudiado la evolución temporal de Qs y grupos de vorticidad usando las simulaciones numéricas directas presentadas anteriormente hasta números de Reynolds ReT = 4200 (Reynolds de fricción). Las estructuras fueron identificadas siguiendo el proceso descrito en el párrafo anterior y después seguidas en el tiempo. A través de la interseción geométrica de estructuras pertenecientes a instantes de tiempo contiguos, hemos creado gratos de conexiones temporales entre todos los objetos y, a partir de ahí, definido ramas primarias y secundarias, de tal forma que cada rama representa la evolución temporal de una estructura coherente. Una vez que las evoluciones están adecuadamente organizadas, proporcionan toda la información necesaria para caracterizar la historia de las estructuras desde su nacimiento hasta su muerte. Los resultados muestran que las estructuras nacen a todas las distancias de la pared, pero con mayor probabilidad cerca de ella, donde la cortadura es más intensa. La mayoría mantienen tamaños pequeños y no viven mucho tiempo, sin embargo, existe una familia de estructuras que crecen lo suficiente como para ligarse a la pared y extenderse a lo largo de la capa logarítmica convirtiéndose en las estructuras observas anteriormente y descritas por Townsend. Estas estructuras son geométricamente autosemejantes con tiempos de vida proporcionales a su tamaño. La mayoría alcanzan tamaños por encima de la escala de Corrsin, y por ello, su dinámica está controlada por la cortadura media. Los resultados también muestran que las eyecciones se alejan de la pared con velocidad media uT (velocidad de fricción) y su base se liga a la pared muy rápidamente al inicio de sus vidas. Por el contrario, los sweeps se mueven hacia la pared con velocidad -uT y se ligan a ella más tarde. En ambos casos, los objetos permanecen ligados a la pared durante 2/3 de sus vidas. En la dirección de la corriente, las estructuras se desplazan a velocidades cercanas a la convección media del flujo y son deformadas por la cortadura. Finalmente, hemos interpretado la cascada turbulenta, no sólo como una forma conceptual de organizar el flujo, sino como un proceso físico en el cual las estructuras coherentes se unen y se rompen. El volumen de una estructura cambia de forma suave, cuando no se une ni rompe, o lo hace de forma repentina en caso contrario. Los procesos de unión y rotura pueden entenderse como una cascada directa (roturas) o inversa (uniones), siguiendo el concepto de cascada de remolinos ideado por Richardson (1920) y Obukhov (1941). El análisis de los datos muestra que las estructuras con tamaños menores a 30η (unidades de Kolmogorov) nunca se unen ni rompen, es decir, no experimentan el proceso de cascada. Por el contrario, aquellas mayores a 100η siempre se rompen o unen al menos una vez en su vida. En estos casos, el volumen total ganado y perdido es una fracción importante del volumen medio de la estructura implicada, con una tendencia ligeramente mayor a romperse (cascada directa) que a unirse (cascade inversa). La mayor parte de interacciones entre ramas se debe a roturas o uniones de fragmentos muy pequeños en la escala de Kolmogorov con estructuras más grandes, aunque el efecto de fragmentos de mayor tamaño no es despreciable. También hemos encontrado que las roturas tienen a ocurrir al final de la vida de la estructura y las uniones al principio. Aunque los resultados para la cascada directa e inversa no son idénticos, son muy simétricos, lo que sugiere un alto grado de reversibilidad en el proceso de cascada. ABSTRACT The purpose of the present thesis is to study the dynamics of the logarithmic layer of wall-bounded turbulent flows. Specifically, to propose a new structural model based on four different coherent structures: sweeps, ejections, clusters of vortices and velocity streaks. The tool used is the direct numerical simulation of time-resolved turbulent channels. Since the first work by Theodorsen (1952), coherent structures have played an important role in the understanding of turbulence organization and its dynamics. Nowadays, data from individual snapshots of direct numerical simulations allow to study the threedimensional statistical properties of those objects, but their dynamics can only be fully understood by tracking them in time. Although the temporal evolution has already been studied for small structures at moderate Reynolds numbers, e.g., Robinson (1991), a temporal analysis of three-dimensional structures spanning from the smallest to the largest scales across the logarithmic layer has yet to be performed and is the goal of the present thesis. The most interesting problems lie in the logarithmic region, which is the seat of cascades of vorticity, energy, and momentum. Different models involving coherent structures have been proposed to represent the organization of wall-bounded turbulent flows in the logarithmic layer. One of the most extended ones was conceived by Adrian et al. (2000) and built on packets of hairpins that grow from the wall and work cooperatively to gen- ´ erate low-momentum ramps. A different view was presented by del Alamo & Jim´enez (2006), who extracted coherent vortical structures from DNSs and proposed a less organized scenario. Although the two models are kinematically fairly similar, they have important dynamical differences, mostly regarding the relevance of the wall. Another open question is whether such a model can be used to explain the cascade process proposed by Kolmogorov (1941b) in terms of coherent structures. The challenge would be to identify coherent structures undergoing a turbulent cascade that can be quantified. To gain a better insight into the previous questions, we have developed a novel method to track coherent structures in time, and used it to characterize the temporal evolutions of eddies in turbulent channels with Reynolds numbers high enough to include a non-trivial range of length scales, and computational domains sufficiently long and wide to reproduce correctly the dynamics of the logarithmic layer. Our efforts have followed four steps. First, we have conducted a campaign of direct numerical simulations of turbulent channels at different Reynolds numbers and box sizes, and assessed the effect of the computational domain in the one-point statistics and spectra. From the results, we have concluded that computational domains with streamwise and spanwise sizes 2vr and vr times the half-height of the channel, respectively, are large enough to accurately capture the dynamical interactions between structures in the logarithmic layer and the rest of the scales. These simulations are used in the subsequent chapters. Second, the three-dimensional structures of intense tangential Reynolds stress in plane turbulent channels (Qs) have been studied by extending the classical quadrant analysis to three dimensions, with emphasis on the logarithmic and outer layers. The eddies are identified as connected regions of intense tangential Reynolds stress. Qs are then classified according to their streamwise and wall-normal fluctuating velocities as inward interactions, outward interactions, sweeps and ejections. It is found that wall-detached Qs are isotropically oriented background stress fluctuations, common to most turbulent flows, and do not contribute to the mean stress. Most of the stress is carried by a selfsimilar family of larger wall-attached Qs, increasingly complex away from the wall, with fractal dimensions « 2. They have shapes similar to ‘sponges of flakes’, while vortex clusters resemble ‘sponges of strings’. Although their number decays away from the wall, the fraction of the stress that they carry is independent of their heights, and a substantial part resides in a few objects extending beyond the centerline, reminiscent of the very large scale motions of several authors. The predominant logarithmic-layer structures are sideby- side pairs of sweeps and ejections, with an associated vortex cluster, and dimensions and stresses similar to Townsend’s conjectured wall-attached eddies. Third, the temporal evolution of Qs and vortex clusters are studied using time-resolved DNS data up to ReT = 4200 (friction Reynolds number). The eddies are identified following the procedure presented above, and then tracked in time. From the geometric intersection of structures in consecutive fields, we have built temporal connection graphs of all the objects, and defined main and secondary branches in a way that each branch represents the temporal evolution of one coherent structure. Once these evolutions are properly organized, they provide the necessary information to characterize eddies from birth to death. The results show that the eddies are born at all distances from the wall, although with higher probability near it, where the shear is strongest. Most of them stay small and do not last for long times. However, there is a family of eddies that become large enough to attach to the wall while they reach into the logarithmic layer, and become the wall-attached structures previously observed in instantaneous flow fields. They are geometrically self-similar, with sizes and lifetimes proportional to their distance from the wall. Most of them achieve lengths well above the Corrsin’ scale, and hence, their dynamics are controlled by the mean shear. Eddies associated with ejections move away from the wall with an average velocity uT (friction velocity), and their base attaches very fast at the beginning of their lives. Conversely, sweeps move towards the wall at -uT, and attach later. In both cases, they remain attached for 2/3 of their lives. In the streamwise direction, eddies are advected and deformed by the local mean velocity. Finally, we interpret the turbulent cascade not only as a way to conceptualize the flow, but as an actual physical process in which coherent structures merge and split. The volume of an eddy can change either smoothly, when they are not merging or splitting, or through sudden changes. The processes of merging and splitting can be thought of as a direct (when splitting) or an inverse (when merging) cascade, following the ideas envisioned by Richardson (1920) and Obukhov (1941). It is observed that there is a minimum length of 30η (Kolmogorov units) above which mergers and splits begin to be important. Moreover, all eddies above 100η split and merge at least once in their lives. In those cases, the total volume gained and lost is a substantial fraction of the average volume of the structure involved, with slightly more splits (direct cascade) than mergers. Most branch interactions are found to be the shedding or absorption of Kolmogorov-scale fragments by larger structures, but more balanced splits or mergers spanning a wide range of scales are also found to be important. The results show that splits are more probable at the end of the life of the eddy, while mergers take place at the beginning of the life. Although the results for the direct and the inverse cascades are not identical, they are found to be very symmetric, which suggests a high degree of reversibility of the cascade process.

Numerical Simulation of the Aerodynamic Behavior of High Velocity Trains under Synthetic Crosswinds of Different Shear and Turbulence Characteristics

A numerical simulation of the aerodynamic behavior of high-speed trains under synthetic crosswinds at a 90º yaw angle is presented. The train geometry is the aerodynamic train model (ATM). Flow description based on numerical simulations is obtained using large eddy simulation (LES) and the commercial code ANSYSFluent V14.5. A crosswind whose averaged velocity and turbulence characteristics change with distance to the ground is imposed. Turbulent fluctuations that vary temporally and spatially are simulated with TurbSim code. The crosswind boundary condition is calculated for the distance the train runs during a simulation period. The inlet streamwise velocity boundary condition is generated using Taylor?s frozen turbulence hypothesis. The model gives a time history of the force and moments acting on the train; this includes averaged values, standard deviations and extreme values. Of particular interest are the spectra of the forces and moments, and the admittance spectra. For comparison, results obtained with LES and a uniform wind velocity fluctuating in time, and results obtained with Reynolds averaged Navier Stokes equations (RANS), and the averaged wind conditions, are also presented.

A simplified spectral approachfor impedance-based damage identification of frp-strengthened rc beams

Hoy en día, el refuerzo y reparación de estructuras de hormigón armado mediante el pegado de bandas de polímeros reforzados con fibras (FRP) se emplea cada vez con más frecuencia a causa de sus numerosas ventajas. Sin embargo, las vigas reforzadas con esta técnica pueden experimentar un modo de fallo frágil a causa del despegue repentino de la banda de FRP a partir de una fisura intermedia. A pesar de su importancia, el número de trabajos que abordan el estudio de este mecanismo de fallo y su monitorización es muy limitado. Por ello, el desarrollo de metodologías capaces de monitorizar a largo plazo la adherencia de este refuerzo a las estructuras de hormigón e identificar cuándo se inicia el despegue de la banda constituyen un importante desafío a abordar. El principal objetivo de esta tesis es la implementación de una metodología fiable y efectiva, capaz de detectar el despegue de una banda de FRP en una viga de hormigón armado a partir de una fisura intermedia. Para alcanzar este objetivo se ha implementado un procedimiento de calibración numérica a partir de ensayos experimentales. Para ello, en primer lugar, se ha desarrollado un modelo numérico unidimensional simple y no costoso representativo del comportamiento de este tipo vigas de hormigón reforzadas con FRP, basado en un modelo de fisura discreta para el hormigón y el método de elementos espectrales. La formación progresiva de fisuras a flexion y el consiguiente despegue en la interface entre el hormigón y el FRP se formulan mediante la introducción de un nuevo elemento capaz de representar ambos fenómenos simultáneamente sin afectar al procedimiento numérico. Además, con el modelo propuesto, se puede obtener de una forma sencilla la respuesta dinámica en altas frecuencias de este tipo de estructuras, lo cual puede hacer muy útil su uso como herramienta de diagnosis y detección del despegue en su fase inicial mediante una monitorización de la variación de las características dinámicas locales de la estructura. Un método de evaluación no destructivo muy prometedor para la monitorización local de las estructuras es el método de la impedancia usando sensores-actuadores piezoeléctricos (PZT). La impedancia eléctrica de los sensores PZT se puede relacionar con la impedancia mecánica de las estructuras donde se encuentran adheridos Ya que la impedancia mecánica de una estructura se verá afectada por su deterioro, se pueden implementar indicadores de daño mediante una comparación del espectro de admitancia (inversa de la impedancia) a lo largo de distintas etapas durante el periodo de servicio de una estructura. Cualquier cambio en el espectro se podría interpretar como una variación en la integridad de la estructura. La impedancia eléctrica se mide a altas frecuencias con lo cual esta metodología debería ser muy sensible a la detección de estados de daño incipiente local, tal como se desea en la aplicación de este trabajo. Se ha implementado un elemento espectral PZT-FRP como extensión del modelo previamente desarrollado, con el objetivo de poder calcular numéricamente la impedancia eléctrica de sensores PZT adheridos a bandas de FRP sobre una viga de hormigón armado. El modelo, combinado con medidas experimentales captadas mediante sensores PZT, se implementa en el marco de una metodología de calibración de modelos para detectar cuantitativamente el despegue en la interfase entre una banda de FRP y una viga de hormigón. El procedimiento de optimización se resuelve empleando el método del enjambre cooperativo con un algoritmo bagging. Los resultados muestran una gran aproximación en la estimación del daño para el problema propuesto. Adicionalmente, se ha desarrollado también un método adaptativo para el mallado de elementos espectrales con el objetivo de localizar las zonas dañadas a partir de los resultados experimentales, el cual contribuye a aumentar la robustez y efectividad del método propuesto a la hora de identificar daños incipientes en su aparición inicial. Finalmente, se ha llevado a cabo un procedimiento de optimización multi-objetivo para detectar el despegue inicial en una viga de hormigón a escala real reforzada con FRP a partir de las impedancias captadas con una red de sensores PZT instrumentada a lo largo de la longitud de la viga. Cada sensor aporta los datos para definir cada una de las funciones objetivo que definen el procedimiento. Combinando el modelo previo de elementos espectrales con un algoritmo PSO multi-objetivo el procedimiento de detección de daño resultante proporciona resultados satisfactorios considerando la escala de la estructura y todas las incertidumbres características ligadas a este proceso. Los resultados obtenidos prueban la viabilidad y capacidad de los métodos antes mencionados y también su potencial en aplicaciones reales. Abstract Nowadays, the external bonding of fibre reinforced polymer (FRP) plates or sheets is increasingly used for the strengthening and retrofitting of reinforced concrete (RC) structures due to its numerous advantages. However, this kind of strengthening often leads to brittle failure modes being the most dominant failure mode the debonding induced by an intermediate crack (IC). In spite of its importance, the number of studies regarding the IC debonding mechanism and bond health monitoring is very limited. Methodologies able to monitor the long-term efficiency of bonding and successfully identify the initiation of FRP debonding constitute a challenge to be met. The main purpose of this thesisis the implementation of a reliable and effective methodology of damage identification able to detect intermediate crack debonding in FRP-strengthened RC beams. To achieve this goal, a model updating procedure based on numerical simulations and experimental tests has been implemented. For it, firstly, a simple and non-expensive one-dimensional model based on the discrete crack approach for concrete and the spectral element method has been developed. The progressive formation of flexural cracks and subsequent concrete-FRP interfacial debonding is formulated by the introduction of a new element able to represent both phenomena simultaneously without perturbing the numerical procedure. Furthermore, with the proposed model, high frequency dynamic response for these kinds of structures can also be obtained in a very simple and non-expensive way, which makes this procedure very useful as a tool for diagnoses and detection of debonding in its initial stage by monitoring the change in local dynamic characteristics. One very promising active non-destructive evaluation method for local monitoring is impedance-based structural health monitoring(SHM)using piezoelectric ceramic (PZT) sensor-actuators. The electrical impedance of the PZT can be directly related to the mechanical impedance of the host structural component where the PZT transducers are attached. Since the structural mechanical impedance will be affected by the presence of structural damage, comparisons of admittance (inverse of impedance) spectra at various times during the service period of the structure can be used as damage indicator. Any change in the spectra might be an indication of a change in the structural integrity. The electrical impedance is measured at high frequencies with which this methodology appears to be very sensitive to incipient damage in structural systems as desired for our application. Abonded-PZT-FRP spectral beam element approach based on an extension of the previous discrete crack approach is implemented in the calculation of the electrical impedance of the PZT transducer bonded to the FRP plates of a RC beam. This approach in conjunction with the experimental measurements of PZT actuator-sensors mounted on the structure is used to present an updating methodology to quantitatively detect interfacial debonding between a FRP strip and the host RC structure. The updating procedure is solved by using an ensemble particle swarm optimization approach with abagging algorithm, and the results demonstrate a big improvement for the performance and accuracy of the damage detection in the proposed problem. Additionally, an adaptive strategy of spectral element mesh has been also developed to detect damage location with experimental results, which shows the robustness and effectiveness of the proposed method to identify initial and incipient damages at its early stage. Lastly, multi-objective optimization has been carried out to detect debonding damage in a real scale FRP-strengthened RC beam by using impedance signatures. A net of PZT sensors is distributed along the beam to construct impedance-based multiple objectives under gradually induced damage scenario. By combining the spectral element model presented previously and an ensemble multi-objective PSO algorithm, the implemented damage detection process yields satisfactory predictions considering the scale and uncertainties of the structure. The obtained results prove the feasibility and capability of the aforementioned methods and also their potentials in real engineering applications.

Numerical simulation of a synthetic jet with OpenFoam

Numerical simulations of flow surrounding a synthetic jet actuating device are presented. By modifying a dynamic mesh technique available in OpenFoam-a well-documented open-source solver for fluid dynamics, detailed computations of the sinusoidal motion of the synthetic jet diaphragm were possible. Numerical solutions were obtained by solving the two dimensional incompressible viscous N-S equations, with the use of a second order implicit time marching scheme and a central finite volume method for spatial discretization in both streamwise and crossflow directions. A systematic parametric study is reported here, in which the external Reynolds number, the diaphragm amplitude and frequency, and the slot dimensions are varied.

Sobre el comportamiento de micropilotes trabajando a flexión y/o cortante en estructuras de tierra

El empleo de los micropilotes en la ingeniería civil ha revolucionado las técnicas de estabilización de terraplenes a media ladera, ya que aunque los pilotes pueden ser la opción más económica, el uso de micropilotes permite llegar a sitios inaccesibles con menor coste de movimientos de tierras, realización de plataformas de trabajo de dimensiones reducidas, maquinaria necesaria es mucho más pequeña, liviana y versátil en su uso, incluyendo la posibilidad de situar la fabricación de morteros o lechadas a distancias de varias decenas de metros del elemento a ejecutar. Sin embargo, realizando una revisión de la documentación técnica que se tiene en el ámbito ingenieril, se comprobó que los sistemas de diseño de algunos casos (micropilotes en terraplenes a media ladera, micropilotes en pantallas verticales, micropilotes como “paraguas” en túneles, etc.) eran bastante deficientes o poco desarrollados. Premisa que permite concluir que el constructor ha ido por delante (como suele ocurrir en ingeniería geotécnica) del cálculo o de su análisis teórico. Del mismo modo se determinó que en su mayoría los micropilotes se utilizan en labores de recalce o como nueva solución de cimentación en condiciones de difícil acceso, casos en los que el diseño de los micropilotes viene definido por cargas axiales, de compresión o de tracción, consideraciones que se contemplan en reglamentaciones como la “Guía para el proyecto y la ejecución de micropilotes en obras de carretera” del Ministerio de Fomento. En los micropilotes utilizados para estabilizar terraplenes a media ladera y micropilotes actuando como muros pantalla, en los que éstos trabajan a esfuerzo cortante y flexión, no se dispone de sistemas de análisis fiables o no se introduce adecuadamente el problema de interacción terreno-micropilote. Además en muchos casos, los parámetros geotécnicos que se utilizan no tienen una base técnico-teórica adecuada por lo que los diseños pueden quedar excesivamente del lado de la seguridad, en la mayoría de los casos, o todo lo contrario. Uno de los objetivos principales de esta investigación es estudiar el comportamiento de los micropilotes que están sometidos a esfuerzos de flexión y cortante, además de otros objetivos de gran importancia que se describen en el apartado correspondiente de esta tesis. Cabe indicar que en este estudio no se ha incluido el caso de micropilotes quasi-horizontales trabajando a flexion (como los “paraguas” en túneles), por considerarse que estos tienen un comportamiento y un cálculo diferente, que está fuera del alcance de esta investigación. Se ha profundizado en el estudio del empleo de micropilotes en taludes, presentando casos reales de obras ejecutadas, datos estadísticos, problemas de diseño y ejecución, métodos de cálculo simplificados y modelación teórica en cada caso, efectuada mediante el empleo de elementos finitos con el Código Plaxis 2D. Para llevar a cabo los objetivos que se buscan con esta investigación, se ha iniciado con el desarrollo del “Estado del Arte” que ha permitido establecer tipología, aplicaciones, características y cálculo de los micropilotes que se emplean habitualmente. Seguidamente y a efectos de estudiar el problema dentro de un marco geotécnico real, se ha seleccionado una zona española de actuación, siendo ésta Andalucía, en la que se ha utilizado de manera muy importante la técnica de micropilotes sobre todo en problemas de estabilidad de terraplenes a media ladera. A partir de ahí, se ha realizado un estudio de las propiedades geotécnicas de los materiales (principalmente suelos y rocas muy blandas) que están presentes en esta zona geográfica, estudio que ha sido principalmente bibliográfico o a partir de la experiencia en la zona del Director de esta tesis. Del análisis realizado se han establecido ordenes de magnitud de los parámetros geotécnicos, principalmente la cohesión y el ángulo de rozamiento interno (además del módulo de deformación aparente o de un módulo de reacción lateral equivalente) para los diversos terrenos andaluces. Con el objeto de conocer el efecto de la ejecución de un micropilote en el terreno (volumen medio real del micropilote, una vez ejecutado; efecto de la presión aplicada en las propiedades del suelo circundante, etc.) se ha realizado una encuesta entre diversas empresas españolas especializadas en la técnica de los micropilotes, a efectos de controlar los volúmenes de inyección y las presiones aplicadas, en función de la deformabilidad del terreno circundante a dichos micropilotes, con lo que se ha logrado definir una rigidez a flexión equivalente de los mismos y la definición y características de una corona de terreno “mejorado” lograda mediante la introducción de la lechada y el efecto de la presión alrededor del micropilote. Con las premisas anteriores y a partir de los parámetros geotécnicos determinados para los terrenos andaluces, se ha procedido a estudiar la estabilidad de terraplenes apoyados sobre taludes a media ladera, mediante el uso de elementos finitos con el Código Plaxis 2D. En el capítulo 5. “Simulación del comportamiento de micropilotes estabilizando terraplenes”, se han desarrollado diversas simulaciones. Para empezar se simplificó el problema simulando casos similares a algunos reales en los que se conocía que los terraplenes habían llegado hasta su situación límite (de los que se disponía información de movimientos medidos con inclinómetros), a partir de ahí se inició la simulación de la inestabilidad para establecer el valor de los parámetros de resistencia al corte del terreno (mediante un análisis retrospectivo – back-análisis) comprobando a su vez que estos valores eran similares a los deducidos del estudio bibliográfico. Seguidamente se han introducido los micropilotes en el borde de la carretera y se ha analizado el comportamiento de éstos y del talud del terraplén (una vez construidos los micropilotes), con el objeto de establecer las bases para su diseño. De este modo y adoptando los distintos parámetros geotécnicos establecidos para los terrenos andaluces, se simularon tres casos reales (en Granada, Málaga y Ceuta), comparando los resultados de dichas simulaciones numéricas con los resultados de medidas reales de campo (desplazamientos del terreno, medidos con inclinómetros), obteniéndose una reproducción bastante acorde a los movimientos registrados. Con las primeras simulaciones se concluye que al instalar los micropilotes la zona más insegura de la ladera es la de aguas abajo. La superficie de rotura ya no afecta a la calzada que protegen los micropilotes. De ahí que se deduzca que esta solución sea válida y se haya aplicado masivamente en Andalucía. En esas condiciones, podría decirse que no se está simulando adecuadamente el trabajo de flexión de los micropilotes (en la superficie de rotura, ya que no les corta), aunque se utilicen elementos viga. Por esta razón se ha realizado otra simulación, basada en las siguientes hipótesis: − Se desprecia totalmente la masa potencialmente deslizante, es decir, la que está por delante de la fila exterior de micros. − La estratigrafía del terreno es similar a la considerada en las primeras simulaciones. − La barrera de micropilotes está constituida por dos elementos inclinados (uno hacia dentro del terraplén y otro hacia fuera), con inclinación 1(H):3(V). − Se puede introducir la rigidez del encepado. − Los micros están separados 0,556 m ó 1,00 m dentro de la misma alineación. − El empotramiento de los micropilotes en el sustrato resistente puede ser entre 1,5 y 7,0 m. Al “anular” el terreno que está por delante de los micropilotes, a lo largo del talud, estos elementos empiezan claramente a trabajar, pudiendo deducirse los esfuerzos de cortante y de flexión que puedan actuar sobre ellos (cota superior pero prácticamente muy cerca de la solución real). En esta nueva modelación se ha considerado tanto la rigidez equivalente (coeficiente ϴ) como la corona de terreno tratado concéntrico al micropilote. De acuerdo a esto último, y gracias a la comparación de estas modelaciones con valores reales de movimientos en laderas instrumentadas con problemas de estabilidad, se ha verificado que existe una similitud bastante importante entre los valores teóricos obtenidos y los medidos en campo, en relación al comportamiento de los micropilotes ejecutados en terraplenes a media ladera. Finalmente para completar el análisis de los micropilotes trabajando a flexión, se ha estudiado el caso de micropilotes dispuestos verticalmente, trabajando como pantallas discontinuas provistas de anclajes, aplicado a un caso real en la ciudad de Granada, en la obra “Hospital de Nuestra Señora de la Salud”. Para su análisis se utilizó el código numérico CYPE, basado en que la reacción del terreno se simula con muelles de rigidez Kh o “módulo de balasto” horizontal, introduciendo en la modelación como variables: a) Las diferentes medidas obtenidas en campo; b) El espesor de terreno cuaternario, que por lo que se pudo determinar, era variable, c) La rigidez y tensión inicial de los anclajes. d) La rigidez del terreno a través de valores relativos de Kh, recopilados en el estudio de los suelos de Andalucía, concretamente en la zona de Granada. Dicha pantalla se instrumentó con 4 inclinómetros (introducidos en los tubos de armadura de cuatro micropilotes), a efectos de controlar los desplazamientos horizontales del muro de contención durante las excavaciones pertinentes, a efectos de comprobar la seguridad del conjunto. A partir del modelo de cálculo desarrollado, se ha comprobado que el valor de Kh pierde importancia debido al gran número de niveles de anclajes, en lo concerniente a las deformaciones horizontales de la pantalla. Por otro lado, los momentos flectores son bastante sensibles a la distancia entre anclajes, al valor de la tensión inicial de los mismos y al valor de Kh. Dicho modelo también ha permitido reproducir de manera fiable los valores de desplazamientos medidos en campo y deducir los parámetros de deformabilidad del terreno, Kh, con valores del orden de la mitad de los medidos en el Metro Ligero de Granada, pero visiblemente superiores a los deducibles de ábacos que permiten obtener Kh para suelos granulares con poca cohesión (gravas y cuaternario superior de Sevilla) como es el caso del ábaco de Arozamena, debido, a nuestro juicio, a la cementación de los materiales presentes en Granada. En definitiva, de las anteriores deducciones se podría pensar en la optimización del diseño de los micropilotes en las obras que se prevean ejecutar en Granada, con similares características al caso de la pantalla vertical arriostrada mediante varios niveles de anclajes y en las que los materiales de emplazamiento tengan un comportamiento geotécnico similar a los estudiados, con el consiguiente ahorro económico. Con todo ello, se considera que se ha hecho una importante aportación para el diseño de futuras obras de micropilotes, trabajando a flexión y cortante, en obras de estabilización de laderas o de excavaciones. Using micropiles in civil engineering has transformed the techniques of stabilization of embankments on the natural or artificial slopes, because although the piles may be the cheapest option, the use of micropiles can reach inaccessible places with lower cost of earthworks, carrying out small work platforms. Machinery used is smaller, lightweight and versatile, including the possibility of manufacturing mortars or cement grouts over distances of several tens of meters of the element to build. However, making a review of the technical documentation available in the engineering field, it was found that systems designed in some cases (micropiles in embankments on the natural slopes, micropiles in vertical cut-off walls, micropiles like "umbrella" in tunnels, etc.) were quite poor or underdeveloped. Premise that concludes the builder has gone ahead (as usually happen in geotechnical engineering) of calculation or theoretical analysis. In the same way it was determined that most of the micropiles are used in underpinning works or as a new foundation solution in conditions of difficult access, in which case the design of micropiles is defined by axial, compressive or tensile loads, considered in regulations as the " Handbook for the design and execution of micropiles in road construction" of the Ministry of Development. The micropiles used to stabilize embankments on the slopes and micropiles act as retaining walls, where they work under shear stress and bending moment, there are not neither reliable systems analysis nor the problem of soil-micropile interaction are properly introduced. Moreover, in many cases, the geotechnical parameters used do not have a proper technical and theoretical basis for what designs may be excessively safe, or the opposite, in most cases. One of the main objectives of this research is to study the behavior of micro piles which are subjected to bending moment and shear stress, as well as other important objectives described in the pertinent section of this thesis. It should be noted that this study has not included the case of quasi-horizontal micropiles working bending moment (as the "umbrella" in tunnels), because it is considered they have a different behavior and calculation, which is outside the scope of this research. It has gone in depth in the study of using micropiles on slopes, presenting real cases of works made, statistics, problems of design and implementation, simplified calculation methods and theoretical modeling in each case, carried out by using FEM (Finite Element Method) Code Plaxis 2D. To accomplish the objectives of this research, It has been started with the development of the "state of the art" which stipulate types, applications, characteristics and calculation of micropiles that are commonly used. In order to study the problem in a real geotechnical field, it has been selected a Spanish zone of action, this being Andalusia, in which it has been used in a very important way, the technique of micropiles especially in embankments stability on natural slopes. From there, it has made a study of the geotechnical properties of the materials (mainly very soft soils and rocks) that are found in this geographical area, which has been mainly a bibliographic study or from the experience in the area of the Director of this thesis. It has been set orders of magnitude of the geotechnical parameters from analyzing made, especially the cohesion and angle of internal friction (also apparent deformation module or a side reaction module equivalent) for various typical Andalusian ground. In order to determine the effect of the implementation of a micropile on the ground (real average volume of micropile once carried out, effect of the pressure applied on the properties of the surrounding soil, etc.) it has conducted a survey among various skilled companies in the technique of micropiles, in order to control injection volumes and pressures applied, depending on the deformability of surrounding terrain such micropiles, whereby it has been possible to define a bending stiffness and the definition and characteristics of a crown land "improved" achieved by introducing the slurry and the effect of the pressure around the micropile. With the previous premises and from the geotechnical parameters determined for the Andalusian terrain, we proceeded to study the stability of embankments resting on batters on the slope, using FEM Code Plaxis 2D. In the fifth chapter "Simulation of the behavior of micropiles stabilizing embankments", there were several different numerical simulations. To begin the problem was simplified simulating similar to some real in which it was known that the embankments had reached their limit situation (for which information of movements measured with inclinometers were available), from there the simulation of instability is initiated to set the value of the shear strength parameters of the ground (by a retrospective analysis or back-analysis) checking these values were similar to those deduced from the bibliographical study Then micropiles have been introduced along the roadside and its behavior was analyzed as well as the slope of embankment (once micropiles were built ), in order to establish the basis for its design. In this way and taking the different geotechnical parameters for the Andalusian terrain, three real cases (in Granada, Malaga and Ceuta) were simulated by comparing the results of these numerical simulations with the results of real field measurements (ground displacements measured with inclinometers), getting quite consistent information according to registered movements. After the first simulations it has been concluded that after installing the micropiles the most insecure area of the natural slope is the downstream. The failure surface no longer affects the road that protects micropiles. Hence it is inferred that this solution is acceptable and it has been massively applied in Andalusia. Under these conditions, one could say that it is not working properly simulating the bending moment of micropiles (on the failure surface, and that does not cut them), although beam elements are used. Therefore another simulation was performed based on the following hypotheses: − The potentially sliding mass is totally neglected, that is, which is ahead of the outer row of micropiles. − Stratigraphy field is similar to the one considered in the first simulations. − Micropiles barrier is constituted by two inclined elements (one inward and one fill out) with inclination 1 (H): 3 (V). − You can enter the stiffness of the pile cap. − The microlies lines are separated 0.556 m or 1.00 m in the same alignment. − The embedding of the micropiles in the tough substrate can be between 1.5 and 7.0 m. To "annul" the ground that is in front of the micro piles, along the slope, these elements clearly start working, efforts can be inferred shear stress and bending moment which may affect them (upper bound but pretty close to the real) solution. In this new modeling it has been considered both equivalent stiffness coefficient (θ) as the treated soil crown concentric to the micropile. According to the latter, and by comparing these values with real modeling movements on field slopes instrumented with stability problems, it was verified that there is quite a significant similarity between the obtained theoretical values and the measured field in relation to the behavior of micropiles executed in embankments along the natural slope. Finally to complete the analysis of micropiles working in bending conditions, we have studied the case of micropiles arranged vertically, working as discontinued cut-off walls including anchors, applied to a real case in the city of Granada, in the play "Hospital of Our Lady of the Health ". CYPE numeric code, based on the reaction of the ground is simulated spring stiffness Kh or "subgrade" horizontal, introduced in modeling was used as variables for analysis: a) The different measurements obtained in field; b) The thickness of quaternary ground, so that could be determined, was variable, c) The stiffness and the prestress of the anchors. d) The stiffness of the ground through relative values of Kh, collected in the study of soils in Andalusia, particularly in the area of Granada. (previously study of the Andalusia soils) This cut-off wall was implemented with 4 inclinometers (introduced in armor tubes four micropiles) in order to control the horizontal displacements of the retaining wall during the relevant excavations, in order to ensure the safety of the whole. From the developed model calculation, it was found that the value of Kh becomes less important because a large number of anchors levels, with regard to the horizontal deformation of the cut-off wall. On the other hand, the bending moments are quite sensitive to the distance between anchors, the initial voltage value thereof and the value of Kh. This model has also been reproduced reliably displacement values measured in the field and deduce parameters terrain deformability, Kh, with values around half the measured Light Rail in Granada, but visibly higher than deductible of abacuses which can obtain Kh for granular soils with low cohesion (upper Quaternary gravels and Sevilla) such as Abacus Arozamena, because, in our view, to cementing materials in Granada. In short, previous deductions you might think on optimizing the design of micropiles in the works that are expected to perform in Granada, with similar characteristics to the case of the vertical cut-off wall braced through several levels of anchors and in which materials location have a geotechnical behavior similar to those studied, with the consequent economic savings. With all this, it is considered that a significant contribution have been made for the design of future works of micropiles, bending moment and shear stress working in slope stabilization works or excavations.

Photoexcited-induced sensitivity of InGaAs surface QDs to environment

A detailed analysis of the impact of illumination on the electrical response of In0.5Ga0.5As surface nanostructures is carried out as a function of different relative humidity conditions. The importance of the surface-to-volume ratio for sensing applications is once more highlighted. From dark-to-photo conditions, the sheet resistance (SR) of a three-dimensional In0.5Ga0.5As nanostructure decays two orders of magnitude compared with that of a two-dimensional nanostructure. The electrical response is found to be vulnerable to the energy of the incident light and the external conditions. Illuminating with high energy light translates into an SR reduction of one order of magnitude under humid atmospheres, whereas it remains nearly unchanged under dry environments. Conversely, lighting with energy below the bulk energy bandgap, shows a negligible effect on the electrical properties regardless the local moisture. Both illumination and humidity are therefore needed for sensing. Photoexcited carriers can only contribute to conductivity if surface states are inactive due to water physisorption. The strong dependence of the electrical response on the environment makes these nanostructures very suitable for the development of highly sensitive and efficient sensing devices.

Co-simulation Methodologies for Hybrid and Electric Vehicle Dynamics

In recent decades, full electric and hybrid electric vehicles have emerged as an alternative to conventional cars due to a range of factors, including environmental and economic aspects. These vehicles are the result of considerable efforts to seek ways of reducing the use of fossil fuel for vehicle propulsion. Sophisticated technologies such as hybrid and electric powertrains require careful study and optimization. Mathematical models play a key role at this point. Currently, many advanced mathematical analysis tools, as well as computer applications have been built for vehicle simulation purposes. Given the great interest of hybrid and electric powertrains, along with the increasing importance of reliable computer-based models, the author decided to integrate both aspects in the research purpose of this work. Furthermore, this is one of the first final degree projects held at the ETSII (Higher Technical School of Industrial Engineers) that covers the study of hybrid and electric propulsion systems. The present project is based on MBS3D 2.0, a specialized software for the dynamic simulation of multibody systems developed at the UPM Institute of Automobile Research (INSIA). Automobiles are a clear example of complex multibody systems, which are present in nearly every field of engineering. The work presented here benefits from the availability of MBS3D software. This program has proven to be a very efficient tool, with a highly developed underlying mathematical formulation. On this basis, the focus of this project is the extension of MBS3D features in order to be able to perform dynamic simulations of hybrid and electric vehicle models. This requires the joint simulation of the mechanical model of the vehicle, together with the model of the hybrid or electric powertrain. These sub-models belong to completely different physical domains. In fact the powertrain consists of energy storage systems, electrical machines and power electronics, connected to purely mechanical components (wheels, suspension, transmission, clutch…). The challenge today is to create a global vehicle model that is valid for computer simulation. Therefore, the main goal of this project is to apply co-simulation methodologies to a comprehensive model of an electric vehicle, where sub-models from different areas of engineering are coupled. The created electric vehicle (EV) model consists of a separately excited DC electric motor, a Li-ion battery pack, a DC/DC chopper converter and a multibody vehicle model. Co-simulation techniques allow car designers to simulate complex vehicle architectures and behaviors, which are usually difficult to implement in a real environment due to safety and/or economic reasons. In addition, multi-domain computational models help to detect the effects of different driving patterns and parameters and improve the models in a fast and effective way. Automotive designers can greatly benefit from a multidisciplinary approach of new hybrid and electric vehicles. In this case, the global electric vehicle model includes an electrical subsystem and a mechanical subsystem. The electrical subsystem consists of three basic components: electric motor, battery pack and power converter. A modular representation is used for building the dynamic model of the vehicle drivetrain. This means that every component of the drivetrain (submodule) is modeled separately and has its own general dynamic model, with clearly defined inputs and outputs. Then, all the particular submodules are assembled according to the drivetrain configuration and, in this way, the power flow across the components is completely determined. Dynamic models of electrical components are often based on equivalent circuits, where Kirchhoff’s voltage and current laws are applied to draw the algebraic and differential equations. Here, Randles circuit is used for dynamic modeling of the battery and the electric motor is modeled through the analysis of the equivalent circuit of a separately excited DC motor, where the power converter is included. The mechanical subsystem is defined by MBS3D equations. These equations consider the position, velocity and acceleration of all the bodies comprising the vehicle multibody system. MBS3D 2.0 is entirely written in MATLAB and the structure of the program has been thoroughly studied and understood by the author. MBS3D software is adapted according to the requirements of the applied co-simulation method. Some of the core functions are modified, such as integrator and graphics, and several auxiliary functions are added in order to compute the mathematical model of the electrical components. By coupling and co-simulating both subsystems, it is possible to evaluate the dynamic interaction among all the components of the drivetrain. ‘Tight-coupling’ method is used to cosimulate the sub-models. This approach integrates all subsystems simultaneously and the results of the integration are exchanged by function-call. This means that the integration is done jointly for the mechanical and the electrical subsystem, under a single integrator and then, the speed of integration is determined by the slower subsystem. Simulations are then used to show the performance of the developed EV model. However, this project focuses more on the validation of the computational and mathematical tool for electric and hybrid vehicle simulation. For this purpose, a detailed study and comparison of different integrators within the MATLAB environment is done. Consequently, the main efforts are directed towards the implementation of co-simulation techniques in MBS3D software. In this regard, it is not intended to create an extremely precise EV model in terms of real vehicle performance, although an acceptable level of accuracy is achieved. The gap between the EV model and the real system is filled, in a way, by introducing the gas and brake pedals input, which reflects the actual driver behavior. This input is included directly in the differential equations of the model, and determines the amount of current provided to the electric motor. For a separately excited DC motor, the rotor current is proportional to the traction torque delivered to the car wheels. Therefore, as it occurs in the case of real vehicle models, the propulsion torque in the mathematical model is controlled through acceleration and brake pedal commands. The designed transmission system also includes a reduction gear that adapts the torque coming for the motor drive and transfers it. The main contribution of this project is, therefore, the implementation of a new calculation path for the wheel torques, based on performance characteristics and outputs of the electric powertrain model. Originally, the wheel traction and braking torques were input to MBS3D through a vector directly computed by the user in a MATLAB script. Now, they are calculated as a function of the motor current which, in turn, depends on the current provided by the battery pack across the DC/DC chopper converter. The motor and battery currents and voltages are the solutions of the electrical ODE (Ordinary Differential Equation) system coupled to the multibody system. Simultaneously, the outputs of MBS3D model are the position, velocity and acceleration of the vehicle at all times. The motor shaft speed is computed from the output vehicle speed considering the wheel radius, the gear reduction ratio and the transmission efficiency. This motor shaft speed, somehow available from MBS3D model, is then introduced in the differential equations corresponding to the electrical subsystem. In this way, MBS3D and the electrical powertrain model are interconnected and both subsystems exchange values resulting as expected with tight-coupling approach.When programming mathematical models of complex systems, code optimization is a key step in the process. A way to improve the overall performance of the integration, making use of C/C++ as an alternative programming language, is described and implemented. Although this entails a higher computational burden, it leads to important advantages regarding cosimulation speed and stability. In order to do this, it is necessary to integrate MATLAB with another integrated development environment (IDE), where C/C++ code can be generated and executed. In this project, C/C++ files are programmed in Microsoft Visual Studio and the interface between both IDEs is created by building C/C++ MEX file functions. These programs contain functions or subroutines that can be dynamically linked and executed from MATLAB. This process achieves reductions in simulation time up to two orders of magnitude. The tests performed with different integrators, also reveal the stiff character of the differential equations corresponding to the electrical subsystem, and allow the improvement of the cosimulation process. When varying the parameters of the integration and/or the initial conditions of the problem, the solutions of the system of equations show better dynamic response and stability, depending on the integrator used. Several integrators, with variable and non-variable step-size, and for stiff and non-stiff problems are applied to the coupled ODE system. Then, the results are analyzed, compared and discussed. From all the above, the project can be divided into four main parts: 1. Creation of the equation-based electric vehicle model; 2. Programming, simulation and adjustment of the electric vehicle model; 3. Application of co-simulation methodologies to MBS3D and the electric powertrain subsystem; and 4. Code optimization and study of different integrators. Additionally, in order to deeply understand the context of the project, the first chapters include an introduction to basic vehicle dynamics, current classification of hybrid and electric vehicles and an explanation of the involved technologies such as brake energy regeneration, electric and non-electric propulsion systems for EVs and HEVs (hybrid electric vehicles) and their control strategies. Later, the problem of dynamic modeling of hybrid and electric vehicles is discussed. The integrated development environment and the simulation tool are also briefly described. The core chapters include an explanation of the major co-simulation methodologies and how they have been programmed and applied to the electric powertrain model together with the multibody system dynamic model. Finally, the last chapters summarize the main results and conclusions of the project and propose further research topics. In conclusion, co-simulation methodologies are applicable within the integrated development environments MATLAB and Visual Studio, and the simulation tool MBS3D 2.0, where equation-based models of multidisciplinary subsystems, consisting of mechanical and electrical components, are coupled and integrated in a very efficient way.

Experimental and numerical study of wind flow behind windbreaks

The shelter effect of a windbreak protects aggregate piles and provides a reduction of particle emissions in harbours. RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes equations) simulations using three variants of k–ε (standard k–ε, RNG k–ε and realizable k–ε) turbulence closure models have been performed to analyse wind flow characteristics behind an isolated fence located on a flat surface without roughness elements. The performance of the three turbulence models has been assessed by wind tunnel experiments. Cases of fences with different porosities (φ) have been evaluated using wind tunnel experiments as well as numerical simulations. The aim is to determine an optimum porosity for sheltering effect of an isolated windbreak. A value of 0.35 was found as the optimum value among the studied porosities (φ=0, 0.1, 0.24, 0.35, 0.4, 0.5).

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

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

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Mathematical analysis of activation thresholds in enzyme-catalyzed positive feedbacks: application to the feedbacks of blood coagulation.

A hierarchy of enzyme-catalyzed positive feedback loops is examined by mathematical and numerical analysis. Four systems are described, from the simplest, in which an enzyme catalyzes its own formation from an inactive precursor, to the most complex, in which two sequential feedback loops act in a cascade. In the latter we also examine the function of a long-range feedback, in which the final enzyme produced in the second loop activates the initial step in the first loop. When the enzymes generated are subject to inhibition or inactivation, all four systems exhibit threshold properties akin to excitable systems like neuron firing. For those that are amenable to mathematical analysis, expressions are derived that relate the excitation threshold to the kinetics of enzyme generation and inhibition and the initial conditions. For the most complex system, it was expedient to employ numerical simulation to demonstrate threshold behavior, and in this case long-range feedback was seen to have two distinct effects. At sufficiently high catalytic rates, this feedback is capable of exciting an otherwise subthreshold system. At lower catalytic rates, where the long-range feedback does not significantly affect the threshold, it nonetheless has a major effect in potentiating the response above the threshold. In particular, oscillatory behavior observed in simulations of sequential feedback loops is abolished when a long-range feedback is present.

The Lateral Trigger Probability function for the Ultra-High Energy Cosmic Ray showers detected by the Pierre Auger Observatory

In this paper we introduce the concept of Lateral Trigger Probability (LTP) function, i.e., the probability for an Extensive Air Shower (EAS) to trigger an individual detector of a ground based array as a function of distance to the shower axis, taking into account energy, mass and direction of the primary cosmic ray. We apply this concept to the surface array of the Pierre Auger Observatory consisting of a 1.5 km spaced grid of about 1600 water Cherenkov stations. Using Monte Carlo simulations of ultra-high energy showers the LTP functions are derived for energies in the range between 10(17) and 10(19) eV and zenith angles up to 65 degrees. A parametrization combining a step function with an exponential is found to reproduce them very well in the considered range of energies and zenith angles. The LTP functions can also be obtained from data using events simultaneously observed by the fluorescence and the surface detector of the Pierre Auger Observatory (hybrid events). We validate the Monte Carlo results showing how LTP functions from data are in good agreement with simulations.