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

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

Some aspects of lubrication in heavy regimes: thermal effects, stability and turbulence

In this work, a combination of numerical methods applied to thermohydrodynamic lubrication problems with cavitation is presented. It should be emphasized the difficulty of the nonlinear mathematical coupled model involving a free boundary problem, but also the simplicity of the algorithms employed to solve it. So, finite element discretizations for the hydrodynamic and thermal equations combined with upwind techniques for the convection terms and duality methods for nonlinear features are proposed. Additionally, a model describing the movement of the shaft is provided. Considering the shaft as a rigid body this model will consist of an ODE system relating acceleration of the center of gravity and external and pressure loads. The numerical experiments of mechanical stability try to clarify the position of the neutral stability curve. Finally, a rotating machine for ship propulsion involving both axial and radial bearings operating with nonconventional lubricants (seawater to avoid environmental pollution) is analyzed by using laminar and turbulent inertial flows.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Perfil de playas sustentadas : estudio hidrodinámico y experimental : directrices de diseño

Las playas sustentadas por medio de un pie sumergido son una atractiva alternativa de diseño de regeneración de playas especialmente cuando las condiciones física del emplazamiento o las características de la arena nativa y de préstamo producen perfiles de alimentación que no se intersectan. La observación y propuesta de este tipo de solución data de los años 1960’s, así como la experiencia internacional en la construcción de este tipo de playas. Sin embargo, a pesar de su utilización y los estudios en campo y laboratorio, no se dispone de criterios ingenieriles que apoyen el diseño de las mismas. Esta tesis consiste en un análisis experimental del perfil de playas sustentadas en un pie sumergido (o colgadas) que se concreta en una propuesta de directrices de diseño general que permiten estimar la ubicación y características geométricas del pie sumergido frente a un oleaje y material que constituye la playa determinados. En la tesis se describe el experimento bidimensional realizado en el modelo físico de fondo móvil, donde se combinan cinco tipos de oleaje con tres configuraciones del pie sumergido (“Sin estructura”, configuración baja o “Estructura 1” y configuración alta o “Estructura 2”), se presentan los resultados obtenidos y se realiza una discusión detallada de las implicaciones de los resultados desde el punto de vista hidrodinámico utilizando monomios adimensionales. Se ha realizado un análisis detallado del estado del arte sobre playas colgadas, presentando el concepto y las experiencias de realizaciones en distintos países. Se ha realizado una cuidadosa revisión de la literatura publicada sobre estudios experimentales de playas colgadas, modelos teóricos y otras cuestiones auxiliares, necesarias para la formulación de la metodología de la tesis. El estudio realizado se ha estructurado en dos fases. En la primera fase se ha realizado una experimentación en un modelo físico de fondo móvil construido en las instalaciones del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), consistente en un canal de 36 m de longitud, 3 m de anchura y 1.5 m de altura, provisto de un generador de oleaje de tipo pistón. Se ha diseñado una campaña de 15 ensayos, que se obtienen sometiendo a cinco tipos de oleaje tres configuraciones distintas de playa colgada. En los ensayos se ha medido el perfil de playa en distintos instantes hasta llegar al equilibrio, determinando a partir de esos datos el retroceso de la línea de costa y el volumen de sedimentos perdido. El tiempo total efectivo de ensayo asciende a casi 650 horas, y el número de perfiles de evolución de playa obtenidos totaliza 229. En la segunda fase se ha abordado el análisis de los resultados obtenidos con la finalidad de comprender el fenómeno, identificar las variables de las que depende y proponer unas directrices ingenieriles de diseño. Se ha estudiado el efecto de la altura de ola, del periodo del oleaje, del francobordo adimensional y del parámetro de Dean, constatándose la dificultad de comprensión del funcionamiento de estas obras ya que pueden ser beneficiosas, perjudiciales o inocuas según los casos. También se ha estudiado la respuesta del perfil de playa en función de otros monomios adimensionales, tales como el número de Reynolds o el de Froude. En el análisis se ha elegido el monomio “plunger” como el más significativo, encontrando relaciones de éste con el peralte de oleaje, la anchura de coronación adimensional, la altura del pie de playa adimensional y el parámetro de Dean. Finalmente, se propone un método de diseño de cuatro pasos que permite realizar un primer encaje del diseño funcional de la playa sustentada frente a un oleaje de características determinadas. Las contribuciones más significativas desde el punto de vista científico son: - La obtención del juego de resultados experimentales. - La caracterización del comportamiento de las playas sustentadas. - Las relaciones propuestas entre el monomio plunger y las distintas variables explicativas seleccionadas, que permiten predecir el comportamiento de la obra. - El método de diseño propuesto, en cuatro pasos, para este tipo de esquemas de defensa de costas. Perched beaches are an attractive beach nourishment design alternative especially when either the site conditions or the characteristics of both the native and the borrow sand lead to a non-intersecting profile The observation and suggestion of the use of this type of coastal defence scheme dates back to the 1960’s, as well as the international experience in the construction of this type of beaches. However, in spite of its use and the field and laboratory studies performed to-date, no design engineering guidance is available to support its design. This dissertation is based on the experimental work performed on a movable bed physical model and the use of dimensionless parameters in analyzing the results to provide general functional design guidance that allow the designer, at a particular stretch of coast - to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill as well as to estimate the suitable sand size to be used in the nourishment. This dissertation consists on an experimental analysis of perched beaches by means of a submerged sill, leading to the proposal of general design guidance that allows to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill when facing a wave condition and for a given beach material. The experimental work performed on a bi-dimensional movable bed physical model, where five types of wave conditions are combined with three configurations of the submerged sill (“No structure”, low structure or “Structure 1”, and high structure or “Structure 2”) is described, results are presented, and a detailed discussion of the results - from the hydrodynamic point of view – of the implications of the results by using dimensionless parameters is carried out. A detailed state of the art analysis about perched beaches has been performed, presenting the “perched beach concept” and the case studies of different countries. Besides, a careful revision of the literature about experimental studies on perched beaches, theoretical models, and other topics deemed necessary to formulate the methodology of this work has been completed. The study has been divided into two phases. Within the first phase, experiments on a movable-bed physical model have been developed. The physical model has been built in the Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) facilities, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). The wave flume is 36 m long, 3 m wide and 1.5 m high, and has a piston-type regular wave generator available. The test plan consisted of 15 tests resulting from five wave conditions attacking three different configurations of the perched beach. During the development of the tests, the beach profile has been surveyed at different intervals until equilibrium has been reached according to these measurements. Retreat of the shoreline and relative loss of sediment in volume have been obtained from the measurements. The total effective test time reaches nearly 650 hours, whereas the total number of beach evolution profiles measured amounts to 229. On the second phase, attention is focused on the analysis of results with the aim of understanding the phenomenon, identifying the governing variables and proposing engineering design guidelines. The effect of the wave height, the wave period, the dimensionless freeboard and of the Dean parameter have been analyzed. It has been pointed out the difficulty in understanding the way perched beaches work since they turned out to be beneficial, neutral or harmful according to wave conditions and structure configuration. Besides, the beach profile response as a function of other dimensionless parameters, such as Reynolds number or Froude number, has been studied. In this analysis, the “plunger” parameter has been selected as the most representative, and relationships between the plunger parameter and the wave steepness, the dimensionless crest width, the dimensionless crest height, and the Dean parameter have been identified. Finally, an engineering 4-step design method has been proposed, that allows for the preliminary functional design of the perched beach for a given wave condition. The most relevant contributions from the scientific point of view have been: - The acquisition of a consistent set of experimental results. - The characterization of the behavior of perched beaches. - The proposed relationships between the plunger parameter and the different explanatory variables selected, that allow for the prediction of the beach behavior. - The proposed design method, four-step method, for this type of coastal defense schemes.

Numerical and experimental study of appendages in racing yachts and their influence on the free surface

Las prestaciones de un velero de regatas se estiman por medio de los Programas de Predicción de Velocidad (VPP) que incluyen las características de estabilidad y modelos aero e hidrodinámico del barco. Por esta razón, es importante tener una evaluación adecuada de las fuerzas en apéndices y de su variación en diferentes condiciones de navegación, escora y deriva. Además, para el cálculo de las fuerzas en los apéndices es importante conocer sus características hidrodinámicas cuando trabajan conjuntamente en un campo fluido fuertemente modificado por la carena. Por esta razón, se han utilizado una serie de ensayos realizados en el Canal de Ensayos de la ETSIN con el objetivo de validar códigos numéricos que permiten una evaluación más rápida y focalizada en los distintos fenómenos que se producen. Dichos ensayos se han realizado de forma que pudiera medirse independientemente las fuerzas hidrodinámicas en cada apéndice, lo que permitirá evaluar el reparto de fuerzas en diferentes condiciones de navegación para poder profundizar en las interacciones entre carena, quilla y timón. Las técnicas numéricas permiten capturar detalles que difícilmente se pueden visualizar en ensayos experimentales. En este sentido, se han probado las últimas técnicas utilizadas en los últimos workshops y se ha enfocado el estudio a un nuevo método con el objetivo de mostrar una metodologia más rápida que pueda servir a la industria para este tipo de aproximación al problema. ABSTRACT The performances of a racing sailboat are estimated by means of the speed prediction programs (VPP), which include the ship stability characteristics and the aero and hydrodynamic models. For this reason, it is important to have an adequate evaluation of the forces in appendices and its variation in different sailing conditions, heel and leeway Moreover, for the analysis of the forces in the appendices, it is important to know their hydrodynamic characteristics when they work together in a fluid field strongly modified by the canoe body. For this reason, several tests have been done in the ETSIN towing tank with the aim to validate numeric codes that allowing faster analysis and they permit to focus on the different phenomena that occur there. Such tests have been done in a way that the hydrodynamic forces in each appendage could be measured independently allowing assessing the distribution of forces in different sailing conditions to be able to deepen the interactions between the canoe body, the keel and the rudder. Numerical techniques allow capturing details that can hardly be displayed in experimental tests. In this sense, the latest techniques used in the recent workshops have been reviewed and the study has been focused to propose a new model with the aim to show a new faster methodology which serves the industry for this type of approach to the problem.

Análisis y optimización de la resistencia de interferencia en multicascos

Esta tesis presenta un estudio de la resistencia de interferencia en multicascos, término que engloba las variaciones en la resistencia al avance debidas a la interacción entre cascos. Su característica más notable es que puede ser tanto positiva como negativa, contribuyendo favorablemente en este último caso a la reducción de la resistencia total. Su análisis permanece como un área activa dentro de la comunidad hidrodinámica, si bien se ha detectado una significativa falta de información experimental sobre el flujo entre cascos. En primer lugar se incluye una caracterización de los fenómenos de interferencia, evaluando su impacto en las diferentes componentes de la resistencia al avance. Al igual que la resistencia total, su predicción requiere el uso de técnicas experimentales o numéricas al ser inviable su solución analítica. Ambos procedimientos han sido considerados en esta tesis. El análisis experimental de la resistencia de interferencia supone el núcleo central del trabajo realizado. Se han ensayado dos geometrías diferentes, un catamarán de servicio comercial PESBO junto con un catamarán compuesto por dos Serie 60 (S60) en paralelo. Los ensayos se han llevado a cabo en dos canales de experiencias, CEHINAV y CEHIPAR, midiéndose resistencia al avance, asiento y trimados dinámicos, y cortes de olas en la zona entre cascos. Mención especial a estos últimos, dado que a pesar de ser en la zona central donde ocurren los principales efectos de interferencia, no se encontró información previa publicada en la literatura. Su medición requirió la fabricación de un sistema de soporte especifico para las probetas de medición. Por otro lado, aunque el Serie 60 es una geometría bien conocida en la comunidad hidrodinámica, a conocimiento del autor su comportamiento como multicasco no había sido aun caracterizado experimentalmente. Los bastidores de unión se fabricaron de forma que permitieran variar la separación entre cascos. Además, los multicascos son en general embarcaciones de alta velocidad mostrando asientos y trimados dinámicos significativos. Para cuantificar su efecto en la resistencia total y de interferencia se construyo un sistema de fijación del modelo al carro que los restringiera, posibilitando comparar los resultados en esta condición con los del modelo libre. Como resultado, se han obtenido resultados experimentales de las dos geometrías estudiadas con múltiples separaciones, incluyendo un solo casco, y con modelo fijo y libre. Una de las principales utilidades de los resultados experimentales es servir como referencia para validar modelos de predicción. Como primera aplicación, los datos experimentales obtenidos con el catamarán S60 se han contrastado con las predicciones numéricas de Yeung et al. (2004). El análisis numérico de la resistencia de interferencia se completa con la realización de simulaciones numéricas utilizando dos códigos substancialmente diferentes: Tdynlin y CD--‐Adapco Star--‐CCM+. Los cortes de olas obtenidos en las simulaciones se comparan con los valores experimentales, mostrándose además los campos de presiones y velocidades calculados sobre el casco. La principal aportación de esta tesis es una extensa caracterización experimental de los fenómenos de interferencia, con la intención de servir de referencia para futuros estudios con multicascos. El análisis de los resultados permite comprender mejor el impacto que la interacción entre cascos, así como las variaciones dinámicas de las condiciones de navegación, tienen en las diferentes componentes de la resistencia. Por otro lado, permite apreciar la dependencia de la resistencia de interferencia con la velocidad y separación entre cascos, de cara a su utilización como parámetro de diseño. ABSTRACT This thesis presents a study of the interference resistance in multihulls, which comprises all the variations in the ship resistance due to the interaction between hulls. Its most remarkable characteristic is that it can be positive or negative, contributing in the second case to the reduction of the total ship resistance. Its study remains an active area in the hydrodynamic community, although there is a significant lack of published experimental data regarding the flow between hulls. First of all, the interference phenomena are characterized, evaluating the impact in the different components of the ship resistance. Similar to the total resistance, their prediction requires experimental or numerical techniques, as no analytic solutions are known. Both procedures have been considered in this thesis. The experimental analysis of the interference resistance is the core of the work done. Two different geometries have been tested, a commercial catamaran PESBO and a catamaran composed by two parallel Series 60 (S60). The tests have been carried out in two towing tanks, CEHINAV and CEHIPAR, measuring ship resistance, dynamic sinkage and trim, and wave cuts in--‐between the hulls. Special mention to the wave cuts, as no previous published information was found regarding this zone, even if it is where the main interference effects happen. Their measurement required building a support tripod for the probes, specifically designed for this experimental campaign. In addition, although the Series 60 is a well known hull for experimental and computational analyses, to the author’s knowledge its behavior as a multihull had not yet been experimentally described. The connection frames between the hulls were built so they allowed adjusting the hull spacing. Furthermore, multihulls are usually high--‐speed vessels, acquiring significant dynamic sinkage and trim. To quantify the effect of these dynamic variations of the interference resistance, a clamping system was developed to fixed the model and compare the results with the free model condition. Thus, experimental results have been obtained for various hull separations with the two geometries analyzed, including a single hull, and with free and fixed model. One of the main applications of experimental results is to serve as a reference to validate prediction models. As a first step, the obtained experimental data with the catamaran S60 have been compared with the numerical predictions of Yeung et al. (2004). The numerical analysis of the interference resistance is completed with the inclusion of numerical simulations using two codes substantially different: Tdynlin and CD--‐Adapco Star--‐CCM+. The wave cuts obtained from the simulations are compared with the experimental ones, showing also the pressure and velocity fields over the hulls. The main contribution of this thesis is an extensive experimental characterization of the interference phenomena, aiming to serve as reference for future studies about multihulls. The analysis of the results provides insights into the impact that the interaction between hulls, as well as the dynamic variations of the sailing conditions, have in the different components of the ship resistance. Moreover, it allows us to observe the dependence of the interference resistance on the velocity and hull spacing, useful towards its use as a design parameter.

Hidrodinamica de planeadores submarinos y su impacto en la funcionalidad de sensores CTD

Los recientes desarrollos tecnológicos permiten la transición de la oceanografía observacional desde un concepto basado en buques a uno basado en sistemas autónomos en red. Este último, propone que la forma más eficiente y efectiva de observar el océano es con una red de plataformas autónomas distribuidas espacialmente y complementadas con sistemas de medición remota. Debido a su maniobrabilidad y autonomía, los planeadores submarinos están jugando un papel relevante en este concepto de observaciones en red. Los planeadores submarinos fueron específicamente diseñados para muestrear vastas zonas del océano. Estos son robots con forma de torpedo que hacen uso de su forma hidrodinámica, alas y cambios de flotabilidad para generar movimientos horizontales y verticales en la columna de agua. Un sensor que mide conductividad, temperatura y profundidad (CTD) constituye un equipamiento estándar en la plataforma. Esto se debe a que ciertas variables dinámicas del Océano se pueden derivar de la temperatura, profundidad y salinidad. Esta última se puede estimar a partir de las medidas de temperatura y conductividad. La integración de sensores CTD en planeadores submarinos no esta exenta de desafíos. Uno de ellos está relacionado con la precisión de los valores de salinidad derivados de las muestras de temperatura y conductividad. Específicamente, las estimaciones de salinidad están significativamente degradadas por el retardo térmico existente, entre la temperatura medida y la temperatura real dentro de la celda de conductividad del sensor. Esta deficiencia depende de las particularidades del flujo de entrada al sensor, su geometría y, también se ha postulado, del calor acumulado en las capas de aislamiento externo del sensor. Los efectos del retardo térmico se suelen mitigar mediante el control del flujo de entrada al sensor. Esto se obtiene generalmente mediante el bombeo de agua a través del sensor o manteniendo constante y conocida su velocidad. Aunque recientemente se han incorporado sistemas de bombeo en los CTDs a bordo de los planeadores submarinos, todavía existen plataformas equipadas con CTDs sin dichos sistemas. En estos casos, la estimación de la salinidad supone condiciones de flujo de entrada al sensor, razonablemente controladas e imperturbadas. Esta Tesis investiga el impacto, si existe, que la hidrodinámica de los planeadores submarinos pudiera tener en la eficiencia de los sensores CTD. Específicamente, se investiga primero la localización del sensor CTD (externo al fuselaje) relativa a la capa límite desarrollada a lo largo del cuerpo del planeador. Esto se lleva a cabo mediante la utilización de un modelo acoplado de fluido no viscoso con un modelo de capa límite implementado por el autor, así como mediante un programa comercial de dinámica de fluidos computacional (CFD). Los resultados indican, en ambos casos, que el sensor CTD se encuentra fuera de la capa límite, siendo las condiciones del flujo de entrada las mismas que las del flujo sin perturbar. Todavía, la velocidad del flujo de entrada al sensor CTD es la velocidad de la plataforma, la cual depende de su hidrodinámica. Por tal motivo, la investigación se ha extendido para averiguar el efecto que la velocidad de la plataforma tiene en la eficiencia del sensor CTD. Con este propósito, se ha desarrollado un modelo en elementos finitos del comportamiento hidrodinámico y térmico del flujo dentro del CTD. Los resultados numéricos indican que el retardo térmico, atribuidos originalmente a la acumulación de calor en la estructura del sensor, se debe fundamentalmente a la interacción del flujo que atraviesa la celda de conductividad con la geometría interna de la misma. Esta interacción es distinta a distintas velocidades del planeador submarino. Específicamente, a velocidades bajas del planeador (0.2 m/s), la mezcla del flujo entrante con las masas de agua remanentes en el interior de la celda, se ralentiza debido a la generación de remolinos. Se obtienen entonces desviaciones significantes entre la salinidad real y aquella estimada. En cambio, a velocidades más altas del planeador (0.4 m/s) los procesos de mezcla se incrementan debido a la turbulencia e inestabilidades. En consecuencia, la respuesta del sensor CTD es mas rápida y las estimaciones de la salinidad mas precisas que en el caso anterior. Para completar el trabajo, los resultados numéricos se han validado con pruebas experimentales. Específicamente, se ha construido un modelo a escala del sensor CTD para obtener la confirmación experimental de los modelos numéricos. Haciendo uso del principio de similaridad de la dinámica que gobierna los fluidos incompresibles, los experimentos se han realizado con flujos de aire. Esto simplifica significativamente la puesta experimental y facilita su realización en condiciones con medios limitados. Las pruebas experimentales han confirmado cualitativamente los resultados numéricos. Más aun, se sugiere en esta Tesis que la respuesta del sensor CTD mejoraría significativamente añadiendo un generador de turbulencia en localizaciones adecuadas al interno de la celda de conductividad. ABSTRACT Recent technological developments allow the transition of observational oceanography from a ship-based to a networking concept. The latter suggests that the most efficient and effective way to observe the Ocean is through a fleet of spatially distributed autonomous platforms complemented by remote sensing. Due to their maneuverability, autonomy and endurance at sea, underwater gliders are already playing a significant role in this networking observational approach. Underwater gliders were specifically designed to sample vast areas of the Ocean. These are robots with a torpedo shape that make use of their hydrodynamic shape, wings and buoyancy changes to induce horizontal and vertical motions through the water column. A sensor to measure the conductivity, temperature and depth (CTD) is a standard payload of this platform. This is because certain ocean dynamic variables can be derived from temperature, depth and salinity. The latter can be inferred from measurements of temperature and conductivity. Integrating CTD sensors in glider platforms is not exempted of challenges. One of them, concerns to the accuracy of the salinity values derived from the sampled conductivity and temperature. Specifically, salinity estimates are significantly degraded by the thermal lag response existing between the measured temperature and the real temperature inside the conductivity cell of the sensor. This deficiency depends on the particularities of the inflow to the sensor, its geometry and, it has also been hypothesized, on the heat accumulated by the sensor coating layers. The effects of thermal lag are usually mitigated by controlling the inflow conditions through the sensor. Controlling inflow conditions is usually achieved by pumping the water through the sensor or by keeping constant and known its diving speed. Although pumping systems have been recently implemented in CTD sensors on board gliders, there are still platforms with unpumped CTDs. In the latter case, salinity estimates rely on assuming reasonable controlled and unperturbed flow conditions at the CTD sensor. This Thesis investigates the impact, if any, that glider hydrodynamics may have on the performance of onboard CTDs. Specifically, the location of the CTD sensor (external to the hull) relative to the boundary layer developed along the glider fuselage, is first investigated. This is done, initially, by applying a coupled inviscid-boundary layer model developed by the author, and later by using a commercial software for computational fluid dynamics (CFD). Results indicate, in both cases, that the CTD sensor is out of the boundary layer, being its inflow conditions those of the free stream. Still, the inflow speed to the CTD sensor is the speed of the platform, which largely depends on its hydrodynamic setup. For this reason, the research has been further extended to investigate the effect of the platform speed on the performance of the CTD sensor. A finite element model of the hydrodynamic and thermal behavior of the flow inside the CTD sensor, is developed for this purpose. Numerical results suggest that the thermal lag effect is mostly due to the interaction of the flow through the conductivity cell and its geometry. This interaction is different at different speeds of the glider. Specifically, at low glider speeds (0.2 m/s), the mixing of recent and old waters inside the conductivity cell is slowed down by the generation of coherent eddy structures. Significant departures between real and estimated values of the salinity are found. Instead, mixing is enhanced by turbulence and instabilities for high glider speeds (0.4 m/s). As a result, the thermal response of the CTD sensor is faster and the salinity estimates more accurate than for the low speed case. For completeness, numerical results have been validated against model tests. Specifically, a scaled model of the CTD sensor was built to obtain experimental confirmation of the numerical results. Making use of the similarity principle of the dynamics governing incompressible fluids, experiments are carried out with air flows. This significantly simplifies the experimental setup and facilitates its realization in a limited resource condition. Model tests qualitatively confirm the numerical findings. Moreover, it is suggested in this Thesis that the response of the CTD sensor would be significantly improved by adding small turbulators at adequate locations inside the conductivity cell.

Estudio de una metodología de software para la predicción y análisis del balance paramétrico de buques para su aplicación en los criterios de estabilidad de segunda generación

El objetivo de ésta tesis es estudiar cómo desarrollar una aplicación informática que implemente algoritmos numéricos de evaluación de características hidrodinámicas de modelos geométricos representativos de carenas de buques. Se trata de especificar los requisitos necesarios que debe cumplir un programa para informático orientado a dar solución a un determinado problema hidródinámico, como es simular el comportamiento en balance de un buque sometido a oleaje, de popa o proa. una vez especificada la aplicación se realizará un diseño del programa; se estudiarán alternativas para implementar la aplicación; se explicará el proceso que ha de seguirse para obtener la aplicación en funcionamiento y se contrastarán los resultados obtenidos en la medida que sea posible. Se pretende sistematizar y sintetizar todo el proceso de desarrollo de software, orientado a la simulación del comportamiento hidrodinámico de un buque, en una metodología que se pondrá a disposición de la comunidad académica y científica en la forma que se considere más adecuada. Se trata, por tanto, de proponer una metodología de desarrollo de software para obetener una aplicación que facilite la evaluación de diferentes alternativas de estudio variando parámetros relativos al problema en estudio y que sea capaz de proporcionar resultados para su análisis. Así mismo se incide en cómo ha de conducirse en el proceso para que dicha aplicación pueda crecer, incorporando soluciones existentes no implementadas o nuevas soluciones que aparezcan en este ámbito de conocimiento. Como aplicación concreta de la aplicación se ha elegido implementar los algoritmos necesarios para evaluar la aparición del balance paramétrico en un buque. En el análisis de éste problema se considera de interés la representación geométrica que se hace de la carena del buque. Además de la carena aparecen otros elementos que tienen influencia determinante en éste estudio, como son las situación de mar y las situaciones de carga. Idealmente, el problema sería resuelto si se consiguiera determinar el ángulo de balance que se produce al enfrentar un buque a las diferentes condiciones de mar. Se pretende preparar un programa utilizando el paradigma de la orientación a objetos. Considero que es la más adecuada forma de modularizar el programa para poder utilizar diferentes modelos de una misma carena y así comparar los resultados de la evaluación del balance paramétrico entre sí. En una etapa posterior se podrían comparar los resultados con otros obtenidos empíricamente. Hablo de una nueva metodología porque pretendo indicar cómo se ha de construir una aplicación de software que sea usable y sobre la que se pueda seguir desarrollando. Esto justifica la selección del lenguaje de programación C++. Se seleccionará un núcleo geométrico de software que permita acoplar de forma versátil los distintos componentes de software que van a construir el programa. Este trabajo pretende aplicar el desarrollo de software a un aspecto concreto del área de conocimiento de la hidrodinámica. No se pretende aportar nuevos algoritmos para resolver problemas de hidrodinámica, sino diseñar un conjunto de objetos de software que implementen soluciones existentes a conocidas soluciones numéricas a dichos problemas. Se trata fundamentalmente de un trabajo de software, más que de hidrodinámica. Lo que aporta de novedad es una nueva forma de realizar un programa aplicado a los cálculos hidrodinámicos relativos a la determinación del balance paramétrico, que pueda crecer e incorporar cualquier novedad que pueda surgir más adelante. Esto será posible por la programación modular utilizada y los objetos que representan cada uno de los elementos que intervienen en la determinación del balance paramétrico. La elección de aplicar la metodología a la predicción del balance paramétrico se debe a que este concepto es uno de los elementos que intervienen en la evaluación de criterios de estabilidad de segunda generación que estan en estudio para su futura aplicación en el ámbito de la construcción naval. Es por tanto un estudio que despierta interés por su próxima utilidad. ABSTRACT The aim of this thesis is to study how to develop a computer application implementing numerical algorithms to assess hydrodynamic features of geometrical models of vessels. It is therefore to propose a methodology for software development applied to an hydrodynamic problem, in order to evaluate different study alternatives by varying different parameters related to the problem and to be capable of providing results for analysis. As a concrete application of the program it has been chosen to implement the algorithms necessary for evaluating the appearance of parametric rolling in a vessel. In the analysis of this problem it is considered of interest the geometrical representation of the hull of the ship and other elements which have decisive influence in this phenomena, such as the sea situation and the loading condition. Ideally, the application would determine the roll angle that occurs when a ship is on waves of different characteristics. It aims to prepare a program by using the paradigm of object oriented programming. I think it is the best methodology to modularize the program. My intention is to show how face the global process of developing an application from the initial specification until the final release of the program. The process will keep in mind the spefici objetives of usability and the possibility of growing in the scope of the software. This work intends to apply software development to a particular aspect the area of knowledge of hydrodynamics. It is not intended to provide new algorithms for solving problems of hydrodynamics, but designing a set of software objects that implement existing solutions to these problems. This is essentially a job software rather than hydrodynamic. The novelty of this thesis stands in this work focuses in describing how to apply the whole proccess of software engineering to hydrodinamics problems. The choice of the prediction of parametric balance as the main objetive to be applied to is because this concept is one of the elements involved in the evaluation of the intact stability criteria of second generation. Therefore, I consider this study as relevant usefull for the future application in the field of shipbuilding.

Design Parameter Analysis of Point Absorber WEC via an Evolutionary-Algorithm-Based Dimensioning Tool

Wave energy conversion has an essential difference from other renewable energies since the dependence between the devices design and the energy resource is stronger. Dimensioning is therefore considered a key stage when a design project of Wave Energy Converters (WEC) is undertaken. Location, WEC concept, Power Take-Off (PTO) type, control strategy and hydrodynamic resonance considerations are some of the critical aspects to take into account to achieve a good performance. The paper proposes an automatic dimensioning methodology to be accomplished at the initial design project stages and the following elements are described to carry out the study: an optimization design algorithm, its objective functions and restrictions, a PTO model, as well as a procedure to evaluate the WEC energy production. After that, a parametric analysis is included considering different combinations of the key parameters previously introduced. A variety of study cases are analysed from the point of view of energy production for different design-parameters and all of them are compared with a reference case. Finally, a discussion is presented based on the results obtained, and some recommendations to face the WEC design stage are given.

Topographical and mechanical characterization of living eukaryotic cells on opaque substrates: development of a general procedure and its application to the study of non-adherent lymphocytes

The mechanical behavior of living murine T-lymphocytes was assessed by atomic force microscopy (AFM). A robust experimental procedure was developed to overcome some features of lymphocytes, in particular their spherical shape and non-adherent character. The procedure included the immobilization of the lymphocytes on amine-functionalized substrates, the use of hydrodynamic effects on the deflection of the AFM cantilever to monitor the approaching, and the use of the jumping mode for obtaining the images. Indentation curves were analyzed according to Hertz's model for contact mechanics. The calculated values of the elastic modulus are consistent both when considering the results obtained from a single lymphocyte and when comparing the curves recorded from cells of different specimens

Amyloid fibril formation by an SH3 domain

The SH3 domain is a well characterized small protein module with a simple fold found in many proteins. At acid pH, the SH3 domain (PI3-SH3) of the p85α subunit of bovine phosphatidylinositol 3-kinase slowly forms a gel that consists of typical amyloid fibrils as assessed by electron microscopy, a Congo red binding assay, and x-ray fiber diffraction. The soluble form of PI3-SH3 at acid pH (the A state by a variety of techniques) from which fibrils are generated has been characterized. Circular dichroism in the far- and near-UV regions and 1H NMR indicate that the A state is substantially unfolded relative to the native protein at neutral pH. NMR diffusion measurements indicate, however, that the effective hydrodynamic radius of the A state is only 23% higher than that of the native protein and is 20% lower than that of the protein denatured in 3.5 M guanidinium chloride. In addition, the A state binds the hydrophobic dye 1-anilinonaphthalene-8-sulfonic acid, which suggests that SH3 in this state has a partially formed hydrophobic core. These results indicate that the A state is partially folded and support the hypothesis that partially folded states formed in solution are precursors of amyloid deposition. Moreover, that this domain aggregates into amyloid fibrils suggests that the potential for amyloid deposition may be a common property of proteins, and not only of a few proteins associated with disease.

Enhanced transcription factor access to arrays of histone H3/H4 tetramer⋅DNA complexes in vitro: Implications for replication and transcription

Defined model systems consisting of physiologically spaced arrays of H3/H4 tetramer⋅5S rDNA complexes have been assembled in vitro from pure components. Analytical hydrodynamic and electrophoretic studies have revealed that the structural features of H3/H4 tetramer arrays closely resemble those of naked DNA. The reptation in agarose gels of H3/H4 tetramer arrays is essentially indistinguishable from naked DNA, the gel-free mobility of H3/H4 tetramer arrays relative to naked DNA is reduced by only 6% compared with 20% for nucleosomal arrays, and H3/H4 tetramer arrays are incapable of folding under ionic conditions where nucleosomal arrays are extensively folded. We further show that the cognate binding sites for transcription factor TFIIIA are significantly more accessible when the rDNA is complexed with H3/H4 tetramers than with histone octamers. These results suggest that the processes of DNA replication and transcription have evolved to exploit the unique structural properties of H3/H4 tetramer arrays.

Force-mediated kinetics of single P-selectin/ligand complexes observed by atomic force microscopy

Leukocytes roll along the endothelium of postcapillary venules in response to inflammatory signals. Rolling under the hydrodynamic drag forces of blood flow is mediated by the interaction between selectins and their ligands across the leukocyte and endothelial cell surfaces. Here we present force-spectroscopy experiments on single complexes of P-selectin and P-selectin glycoprotein ligand-1 by atomic force microscopy to determine the intrinsic molecular properties of this dynamic adhesion process. By modeling intermolecular and intramolecular forces as well as the adhesion probability in atomic force microscopy experiments we gain information on rupture forces, elasticity, and kinetics of the P-selectin/P-selectin glycoprotein ligand-1 interaction. The complexes are able to withstand forces up to 165 pN and show a chain-like elasticity with a molecular spring constant of 5.3 pN nm−1 and a persistence length of 0.35 nm. The dissociation constant (off-rate) varies over three orders of magnitude from 0.02 s−1 under zero force up to 15 s−1 under external applied forces. Rupture force and lifetime of the complexes are not constant, but directly depend on the applied force per unit time, which is a product of the intrinsic molecular elasticity and the external pulling velocity. The high strength of binding combined with force-dependent rate constants and high molecular elasticity are tailored to support physiological leukocyte rolling.

Quantifying pursuit-diving seabirds’ associations with fine-scale physical features in tidal streamenvironments

Acknowledgements James J. Waggitt was funded by a NERC Case studentship supported by OpenHydro Ltd and Marine Scotland Science (NE/J500148/1). Vessel-based transects were funded by a NERC (NE/J004340/1) and a Scottish National Heritage (SNH) grant. FVCOM modelling was funded by a NERC grant (NE/J004316/1). Marine Scotland Science provided time on the FRV Alba-na-Mara as part as the Marine Collaboration Research Forum (MarCRF). The bathymetry data used in hydrodynamic models (HI 1122 Sanday Sound to Westray Firth) was collected by the Maritime & Coastguard Agency (MCA) as part of the UK Civil Hydrography Programme. We wish to thank Christina Bristow, Matthew Finn and Jennifer Norris at the European Marine Energy Centre (EMEC); Marianna Chimienti, Ciaran Cronin, Tim Sykes and Stuart Thomas for performing vessel-based transects; Marine Scotland Science staff Eric Armstrong, Ian Davies, Mike Robertson, Robert Watret and Michael Stewart for their assistance; Shaun Fraser, Pauline Goulet, Alex Robbins, Helen Wade and Jared Wilson for invaluable discussions; Thomas Cornulier, Alex Douglas, James Grecian and Samantha Patrick for their help with statistical analysis; and Gavin Siriwardena, Leigh Torres, Mark Whittingham and Russell Wynn for their constructive comments on earlier versions of this manuscript.

Preferential exclusion of sucrose from recombinant interleukin-1 receptor antagonist: Role in restricted conformational mobility and compaction of native state

Understanding the mechanism for sucrose-induced protein stabilization is important in many diverse fields, ranging from biochemistry and environmental physiology to pharmaceutical science. Timasheff and Lee [Lee, J. C. & Timasheff, S. N. (1981) J. Biol. Chem. 256, 7193–7201] have established that thermodynamic stabilization of proteins by sucrose is due to preferential exclusion of the sugar from the protein’s surface, which increases protein chemical potential. The current study measures the preferential exclusion of 1 M sucrose from a protein drug, recombinant interleukin 1 receptor antagonist (rhIL-1ra). It is proposed that the degree of preferential exclusion and increase in chemical potential are directly proportional to the protein surface area and that, hence, the system will favor the protein state with the smallest surface area. This mechanism explains the observed sucrose-induced restriction of rhIL-1ra conformational fluctuations, which were studied by hydrogen–deuterium exchange and cysteine reactivity measurements. Furthermore, infrared spectroscopy of rhlL-1ra suggested that a more ordered native conformation is induced by sucrose. Electron paramagnetic resonance spectroscopy demonstrated that in the presence of sucrose, spin-labeled cysteine 116 becomes more buried in the protein’s interior and that the hydrodynamic diameter of the protein is reduced. The preferential exclusion of sucrose from the protein and the resulting shift in the equilibrium between protein states toward the most compact conformation account for sucrose-induced effects on rhIL-1ra.