Design, implementation and evaluation of an unconstrained and contactless biometric system based on hand geometry and stress detection

Esta tesis propone un sistema biométrico de geometría de mano orientado a entornos sin contacto junto con un sistema de detección de estrés capaz de decir qué grado de estrés tiene una determinada persona en base a señales fisiológicas Con respecto al sistema biométrico, esta tesis contribuye con el diseño y la implementación de un sistema biométrico de geometría de mano, donde la adquisición se realiza sin ningún tipo de contacto, y el patrón del usuario se crea considerando únicamente datos del propio individuo. Además, esta tesis propone un algoritmo de segmentación multiescala para solucionar los problemas que conlleva la adquisición de manos en entornos reales. Por otro lado, respecto a la extracción de características y su posterior comparación esta tesis tiene una contribución específica, proponiendo esquemas adecuados para llevar a cabo tales tareas con un coste computacional bajo pero con una alta precisión en el reconocimiento de personas. Por último, este sistema es evaluado acorde a la norma estándar ISO/IEC 19795 considerando seis bases de datos públicas. En relación al método de detección de estrés, esta tesis propone un sistema basado en dos señales fisiológicas, concretamente la tasa cardiaca y la conductancia de la piel, así como la creación de un innovador patrón de estrés que recoge el comportamiento de ambas señales bajo las situaciones de estrés y no-estrés. Además, este sistema está basado en lógica difusa para decidir el grado de estrés de un individuo. En general, este sistema es capaz de detectar estrés de forma precisa y en tiempo real, proporcionando una solución adecuada para sistemas biométricos actuales, donde la aplicación del sistema de detección de estrés es directa para evitar situaciónes donde los individuos sean forzados a proporcionar sus datos biométricos. Finalmente, esta tesis incluye un estudio de aceptabilidad del usuario, donde se evalúa cuál es la aceptación del usuario con respecto a la técnica biométrica propuesta por un total de 250 usuarios. Además se incluye un prototipo implementado en un dispositivo móvil y su evaluación. ABSTRACT: This thesis proposes a hand biometric system oriented to unconstrained and contactless scenarios together with a stress detection method able to elucidate to what extent an individual is under stress based on physiological signals. Concerning the biometric system, this thesis contributes with the design and implementation of a hand-based biometric system, where the acquisition is carried out without contact and the template is created only requiring information from a single individual. In addition, this thesis proposes an algorithm based on multiscale aggregation in order to tackle with the problem of segmentation in real unconstrained environments. Furthermore, feature extraction and matching are also a specific contributions of this thesis, providing adequate schemes to carry out both actions with low computational cost but with certain recognition accuracy. Finally, this system is evaluated according to international standard ISO/IEC 19795 considering six public databases. In relation to the stress detection method, this thesis proposes a system based on two physiological signals, namely heart rate and galvanic skin response, with the creation of an innovative stress detection template which gathers the behaviour of both physiological signals under both stressing and non-stressing situations. Besides, this system is based on fuzzy logic to elucidate the level of stress of an individual. As an overview, this system is able to detect stress accurately and in real-time, providing an adequate solution for current biometric systems, where the application of a stress detection system is direct to avoid situations where individuals are forced to provide the biometric data. Finally, this thesis includes a user acceptability evaluation, where the acceptance of the proposed biometric technique is assessed by a total of 250 individuals. In addition, this thesis includes a mobile implementation prototype and its evaluation.

Simplifying data acquisition in plant canopies- Measurements of leaf angles with a cell phone

1. Canopies are complex multilayered structures comprising individual plant crowns exposing a multifaceted surface area to sunlight. Foliage arrangement and properties are the main mediators of canopy functions. The leaves act as light traps whose exposure to sunlight varies with time of the day, date and latitude in a trade-off between photosynthetic light harvesting and excessive or photoinhibitory light avoidance. To date, ecological research based upon leaf sampling has been limited by the available echnology, with which data acquisition becomes labour intensive and time-consuming, given the verwhelming number of leaves involved. 2. In the present study, our goal involved developing a tool capable of easuring a sufficient number of leaves to enable analysis of leaf populations, tree crowns and canopies.We specifically tested whether a cell phone working as a 3Dpointer could yield reliable, repeatable and valid leaf anglemeasurements with a simple gesture. We evaluated the accuracy of this method under controlled conditions, using a 3D digitizer, and we compared performance in the field with the methods commonly used. We presented an equation to estimate the potential proportion of the leaf exposed to direct sunlight (SAL) at any given time and compared the results with those obtained bymeans of a graphicalmethod. 3. We found a strong and highly significant correlation between the graphical methods and the equation presented. The calibration process showed a strong correlation between the results derived from the two methods with amean relative difference below 10%. Themean relative difference in calculation of instantaneous exposure was below 5%. Our device performed equally well in diverse locations, in which we characterized over 700 leaves in a single day. 4. The newmethod, involving the use of a cell phone, ismuchmore effective than the traditionalmethods or digitizers when the goal is to scale up from leaf position to performance of leaf populations, tree crowns or canopies. Our methodology constitutes an affordable and valuable tool within which to frame a wide range of ecological hypotheses and to support canopy modelling approaches.

Instability and topology bifurcations on a hemisphere-cylinder at high angle of attack

La configuración de un cilindro acoplado a una semi-esfera, conocida como ’hemispherecylinder’, se considera como un modelo simplificado para numerosas aplicaciones industriales tales como fuselaje de aviones o submarinos. Por tanto, el estudio y entendimiento de los fenómenos fluidos que ocurren alrededor de dicha geometría presenta gran interés. En esta tesis se muestra la investigación del origen y evolución de los, ya conocidos, patrones de flujo (burbuja de separación, vórtices ’horn’ y vórtices ’leeward’) que se dan en esta geometría bajo condiciones de flujo separado. Para ello se han llevado a cabo simulaciones numéricas (DNS) y ensayos experimentales usando la técnica de Particle Image Velocimetry (PIV), para una variedad de números de Reynolds (Re) y ángulos de ataque (AoA). Se ha aplicado sobre los resultados numéricos la teoría de puntos críticos obteniendo, por primera vez para esta geometría, un diagrama de bifurcaciones que clasifica los diferentes regímenes topológicos en función del número de Reynolds y del ángulo de ataque. Se ha llevado a cabo una caracterización completa sobre el origen y la evolución de los patrones estructurales característicos del cuerpo estudiado. Puntos críticos de superficie y líneas de corriente tridimensionales han ayudado a describir el origen y la evolución de las principales estructuras presentes en el flujo hasta alcanzar un estado de estabilidad desde el punto de vista topológico. Este estado se asocia con el patrón de los vórtices ’horn’, definido por una topología característica que se encuentra en un rango de números de Reynolds muy amplio y en regímenes compresibles e incompresibles. Por otro lado, con el objeto de determinar las estructuras presentes en el flujo y sus frecuencias asociadas, se han usado distintas técnicas de análisis: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) y análisis de Fourier. Dichas técnicas se han aplicado sobre los datos experimentales y numéricos, demostrándose la buena concordancia entre ambos resultados. Finalmente, se ha encontrado en ambos casos, una frecuencia dominante asociada con una inestabilidad de los vórtices ’leeward’. ABSTRACT The hemisphere-cylinder may be considered as a simplified model for several geometries found in industrial applications such as aircrafts’ fuselages or submarines. Understanding the complex flow phenomena that surrounds this particular geometry is therefore of major industrial interest. This thesis presents an investigation of the origin and evolution of the complex flow pattern; i.e. separation bubbles, horn vortices and leeward vortices, around the hemisphere-cylinder under separated flow conditions. To this aim, threedimensional Direct Numerical Simulations (DNS) and experimental tests, using Particle Image Velocimetry (PIV) techniques, have been performed for a variety of Reynolds numbers (Re) and angles of attack (AoA). Critical point theory has been applied to the numerical simulations to provide, for the first time for this geometry, a bifurcation diagram that classifies the different flow topology regimes as a function of the Reynolds number and the angle of attack. A complete characterization about the origin and evolution of the complex structural patterns of this geometry has been put in evidence. Surface critical points and surface and volume streamlines were able to describe the main flow structures and their strong dependence with the flow conditions up to reach the structurally stable state. This state was associated with the pattern of the horn vortices, found on ranges from low to high Reynolds numbers and from incompressible to compressible regimes. In addition, different structural analysis techniques have been employed: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) and Fourier analysis. These techniques have been applied to the experimental and numerical data to extract flow structure information (i.e. modes and frequencies). Experimental and numerical modes are shown to be in good agreement. A dominant frequency associated with an instability of the leeward vortices has been identified in both, experimental and numerical results.

Analysis of the performance of caissons with a yard and cylindrical geometry as a breakwater. Apollonius caisson

En el presente trabajo se analiza el cajón Apolonio como diseño conceptual para controlar la reflexión en monolitos de gravedad sometidos a esfuerzos dinámicos de oleaje.

Mathematical Analysis of the Effect of Rotor Geometry on Cup Anemometer Response

The calibration coefficients of two commercial anemometers equipped with different rotors were studied. The rotor cups had the same conical shape, while the size and distance to the rotation axis varied.The analysis was based on the 2-cup positions analytical model, derived using perturbation methods to include second-order effects such as pressure distribution along the rotating cups and friction.Thecomparison with the experimental data indicates a nonuniformdistribution of aerodynamic forces on the rotating cups, with higher forces closer to the rotating axis. The 2-cup analytical model is proven to be accurate enough to study the effect of complex forces on cup anemometer performance.

Optimal boundary geometry in an elasticity problem: a systematic adjoint approach

In different problems of Elasticity the definition of the optimal gcometry of the boundary, according to a given objective function, is an issue of great interest. Finding the shape of a hole in the middle of a plate subjected to an arbitrary loading such that the stresses along the hole minimizes some functional or the optimal middle curved concrete vault for a tunnel along which a uniform minimum compression are two typical examples. In these two examples the objective functional depends on the geometry of the boundary that can be either a curve (in case of 2D problems) or a surface boundary (in 3D problems). Typically, optimization is achieved by means of an iterative process which requires the computation of gradients of the objective function with respect to design variables. Gradients can by computed in a variety of ways, although adjoint methods either continuous or discrete ones are the more efficient ones when they are applied in different technical branches. In this paper the adjoint continuous method is introduced in a systematic way to this type of problems and an illustrative simple example, namely the finding of an optimal shape tunnel vault immersed in a linearly elastic terrain, is presented.

Sobre la Arquitectura en la definición del Paisaje

Comúnmente la Arquitectura se manifiesta en los edificios como un hecho de la realidad que tiene siempre carácter contemporáneo y ése debe ser el valor supremo de un arte que no distingue entre antiguo y moderno, por afectar al presente y ser contemporáneo como experiencia. Los objetos se insertan irremediablemente en su medio e incluso llegan a definirlo en ocasiones: así, arquitectura y paisaje, aparecerán a veces confundidos con diferencias difíciles de determinar. El término “paisaje” es relativamente moderno y se deriva de ciertas representaciones gráficas o pictóricas producidas en Occidente en época algo posterior al Renacimiento. No obstante, el hecho de que una palabra se pueda escribir o se cite no quiere decir que la realidad a la que responde no pueda existir, pues lo escrito es solamente un medio de expresión, y es obvio que existen otros quizá más antiguos y de idéntica importancia, pues la propia escritura no es más que el reflejo de un fenómeno que ya se ha producido con anterioridad. Parece así que el testimonio de la realidad viene dado por distintos contextos en lo que suele llamarse “cultura” de modo que las culturas pueden tener aspectos de gran interés mediante diferentes sistemas de expresión variados sin que eso tenga que pasar forzosamente por el filtro de un alfabeto y una escritura. A tenor de los primeros descubrimientos, parece que la cuestión de escribir tuvo originalmente un carácter de constatación de apunte contable y tampoco se puede establecer con certeza si algunos utilizaron la escritura como el so-porte adecuado para referir mitos o historias, pues la Arqueología no ha proporcionado sino testimonios fragmentarios; de lo que si está repleta sin duda la historia es de apuntes contables. Otra cuestión que suscita dudas es la propia definición de escritura, pues parece que los más antiguos modos de expresión escrita se reducen a pictogramas que resultan aún indescifrables. Lenguas y toponimia son también herramientas muy útiles para bucear en el pasado, pero aún así persisten dudas en las escrituras que pro-vienen de las representaciones primordiales: la propia escritura en sus orígenes parece alimentarse de las propias intuiciones inmediatas de la representación, algo que evolucionaría representando esa realidad urgente e inmediata del control o el abastecimiento que luego se convertirían en los fragmentos de texto que han podido conservarse. Es notorio, sin embargo, que ese conjunto enorme de convenios gráficos estaba sujeto a la palabra y la desaparición de las culturas determinó también la desaparición consecuente de sus lenguas, y esos signos - fueran o no escritura - han pasado definitivamente a las zonas oscuras del conocimiento. Escribir supone también disponer de capacidad de abstracción gráfica que diferencie la palabra y la cosa, y es posible que la razón que llevara a ese descubrimiento fuera simplemente el de una economía de signos, pues escritura y lenguaje son limitados por definición, mientras que las cosas del mundo son innumerables: ningún idioma contiene todas las palabras para describir todo lo que puede aparecer. Aparentemente, ese el motivo por el cual existe un localismo – un término específico que refiere algo que existe en un lugar y no en otros - en lo que se refiere a dar el nombre a la cosa y también fuente de paradigma entre los pueblos que se consideran primitivos y los que se consideran civilizados. Debe tenerse en cuenta también que esa transposición se da en ambos sentidos, de modo que las culturas más aisladas también incorporan conceptos que carecen de una explicación racional consistente. Las mitologías son así eternas, pues sirven para explicar realidades que carecen de un entendimiento alcanzable y está también bastante claro que los lenguajes resultan ser un enigma, como realidad autónoma que queda en-cerrada y se explica en sí misma. Parece también que los primeros en escribir las consonantes aisladas fueron los pueblos semíticos occidentales de las orillas del Mediterráneo, pueblos que crearon un alfabeto silábico que llegó a ser utilizado incluso por los tartesios en el sur de la península ibérica como el primer alfabeto de toda Europa occidental. Resulta patente que el término “paisaje” se ha nutrido siempre de representaciones, bien escritas o artísticas, pero queda también claro que esas representaciones se suponen derivadas de la creencia en una idea de paisaje como algo que se ve representado en sí mismo, es decir, como la imagen de una realidad externa situada fuera del individuo. Eso es un hecho trascendente, pues el paisaje requiere lejanía de la cosa, de modo que el actor – aún sabiéndose inserto en su paisaje – es incapaz de percibirlo desde dentro. En el paisaje ocurre igual que en un teatro o en una representación: los actores son conscientes de su papel y su posible cometido, pero no son los que realmente pueden disfrutar de la eficacia o de la propia presencia de la obra, pues forman parte de ella. La idea de paisaje proviene de una lectura externa a la de los propios protagonistas del drama, de modo que si quieren ser un crítico del paisaje se debe abandonar la representación para mirar el espectáculo desde una distancia adecuada, al fin y a cabo externa. De ese modo, aparece la primera constatación del hecho del paisaje como una realidad construida por objetos y personajes, pero, sobre todo, es una realidad construida por miradas. Llama también la atención otorgada en las lecturas de los especialistas hacia esa referencia externa - artística si se quiere - sobre el término “paisaje”, de modo que la bibliografía no especializada sobre el particular siempre acaba en tratados de pintura o poesía. Parece sin embargo que el hombre y sus paisajes son realidades indisolubles desde la propia aparición de la especie, de modo que llevar la cuestión hacia términos exclusivamente esteticistas parece una posición parcial. Hombre y medio han formado siempre una sola unidad, aunque esa unidad se haya convertido en determinados casos en sinónimo de depredación y destrozo. Sin embargo, esa destrucción crea igualmente un paisaje como desolación que es resultado del propio quehacer del hombre: elementos que también poseen un contenido sustancial de memoria en los paisajes industriales como un momento de la Historia previo a la automatización y a la globalización de la vida actuales. Quizá el concepto más interesante desde el punto de vista teórico sea precisamente el de esa cualidad del paisaje como mirada, algo externo producido por el contemplador en un momento ajeno a la pertenencia, una mirada que no es tan sólo estética sino comprensiva, gozosa, activa o analítica - pues existen tantas maneras de mirar como sujetos - sin que pueda definirse con precisión esa contemplación más que en términos que alcanzan la propia individualidad. En términos poéticos, también podría establecerse como ese conjunto de miradas individuales crean también una estructura que hace que ese paisaje se valore y se comprenda, de modo que desde ese punto de vista ese paisaje supone una creación colectiva. Con respeto o como depredador, el hombre se ha instalado en su medio, y al hacerlo, ha dejado huellas dentro del propio paisaje que hacen que tome una determinada significación. Naturalmente, existe una teoría que distingue entre “país” y “paisaje”, asumiendo para el primero la noción exclusiva de territorio en la cual el hombre no tiene papel estético alguno. He intentado muchas veces comprender esa posición, sin acabar de entender el planteamiento que la sustenta: parece que la visión de la cosa estará siempre humanizada, aún en las zonas “vírgenes” o intactas, pues la propia visión hace que el objeto se modifique en su propia unidad perceptiva, creando una curiosa indeterminación que lleva a los conocidos equívocos entre imagen real y representación. Efectivamente, la visión de la cosa requiere de una cultura y unos medios que la informan, de modo que un texto, una pintura, una descripción o una fotografía quedarán ya humanizadas por el propio hecho de ser informadas, pues ello otorga una forma a priori. De ese modo, el paisaje figura inscrito en una función que establece tanto aspectos de un paisaje posible como aspectos del paisaje descrito y solamente podrá hablarse sobre la potencialidad del estado final de ese paisaje y nada del propio paisaje en sí, mientras ese paisaje no quede humanizado por el propio observador. Esta cuestión obliga a elegir una definición de paisaje alejada de presupuestos esteticistas para acercarla a los puramente culturales, de modo que no existe otra vía para la investigación que contemplar esa realidad física en función de las coordenadas del hombre que la habita, dotada del contenido correspondiente a esa revelación. Lejos de las posiciones de la geomorfología, el término “paisaje” implicará así unas condiciones determinadas de contemplación por parte de un sujeto por el cual el espectáculo queda humanizado en dicho acto.Cabe pensar también si no es cierto que todos los paisajes requieren de esa condición humanizada, pues aunque no estén habitados están siempre ocupados por esa mirada que los habita, al igual que un escenario sin público que carece de vigencia. A partir de ahí se sitúan las coordenadas en donde este trabajo configura la presencia de la arquitectura en la definición del paisaje, una premisa que parece ya venir otorgada desde el principio, pues esa misma mirada del espectador ya está dotando de un sentido de orden y jerarquía a la contemplación, unas cualidades que están en la base de toda actividad arquitectónica, De hecho la propia definición de “monumento natural” - en si misma una contradicción – expresa ese conflicto, dotado de un fenómeno de admiración y solape entre cultura y naturaleza, como conceptos enfrentados desde su origen. La conclusión sobre el dilema propuesta en la tesis no ha sido otra que suponer que esas dos realidades que son la cultura y el paisaje se han solapado desde el principio de los tiempos del hombre formando un binomio indeslindable. Se ha dicho antes que el proceso de invasión del territorio por el hombre es significativo, y esa significación es la que origina una creación autónoma que se aísla como un concepto abstracto de los entes naturales, tomándolos como material de trabajo, y estableciendo una oposición conceptual en la realidad perforada e interpretada por el hombre que viene a oponerse a lo que supone la caja cerrada e ignota del enigma del mundo. La cuestión de la significación del hombre sobre el territorio se subsume en la creación de unos productos que permanecen y que son testimonio de la propia cultura, de forma que la cantidad de rastro que el hombre deja sobre el territorio contribuye en mayor medida a la cualificación del paisaje como concepto. Eso lleva a establecer que cualquier paisaje - por el mero hecho de serlo y ser definido así – es ya cultural, puesto que está configurado por los productos de la cultura. Las palabras que puedan quedar encerradas en las piedras de los monumentos o de las ciudades son las de los hombres que trabajaron allí, y también las de los que las habitaron: más aún, el propio sentido del paisaje y su conservación vienen determinados por la presencia del hombre como único interprete de conceptos como ecología o conservación, algo que se pone de manifiesto también en la espantosa devastación que producen los fenómenos propios de la naturaleza. La historia natural, al igual que la vida, están conformadas por éxito y devastación, sin que uno y otra tengan especial preferencia, pues la preferencia se alimenta de otra clase de conceptos. La cuestión de atribuir valores morales al mundo natural es algo muy antiguo, y quizá sea la fuente o el manantial de las primeras religiones, una cuestión que se une a la indefectible noción de mortalidad que define la existencia del hombre frente a la inmanencia de la naturaleza. Esa propia naturaleza está dotada intuitivamente de un carácter “inocente” suponiendo que la inocencia es lo opuesto a la sabiduría. La cuestión es bien otra, ya que la naturaleza no posee ni siquiera algo que pueda definirse como “carácter”, en el sentido personal del término. La cuestión no cae, evidentemente, del lado de las definiciones o de las cualidades, sino del propio análisis de la realidad que el hombre va construyendo, destruyendo, embelleciendo o perjudicando para definir el territorio que habita, interponiendo a su manera recursos, instalaciones y en definitiva todos los testimonios posibles como principal manifestación de su esencia. Entre los artefactos que el hombre produce, uno de los más persistentes y más conspicuamente descritos es el de la arquitectura - entendida aquí en un sentido amplio - es decir, como el conjunto de modificaciones del espacio y del territorio. El espacio se puede modificar de muchos modos, pero en cualquiera de los casos constituye una de las huellas más características que el hombre establece como manifestación física de su propio ser discursivo. También la arquitectura ha demostrado ser una de los fenómenos más persistentes, incluso más que la propia lengua que la origina en su discurso primero antes que pueda ac-cederse a una idea sobre la conformación del material. Es paradigmático que el episodio descrito sobre la Torre de Babel en la Biblia la cuestión de la ambición de los hombres frente a Dios, representada precisamente en una arquitectura, se asimile a la discusión sobre el lenguaje primordial. La cuestión no es baladí, pues el fenómeno de la creación es algo que se concede exclusivamente a los dioses, que por esa razón habitan los territorios a los que los hombres no pueden llegar; territorios de albergue en los que las mitologías sitúan a dioses y demonios, con amplios espacios intermedios donde situar a las divinidades menores, héroes o seres híbridos en los que la coyunda de los dioses con los humanos produce sujetos que alivian el sentido de la mortalidad. El comentario del Génesis también concede un valor a la técnica, al mito de Prometeo y al fuego como creador de excelencia. Frente al progreso prometeico, se postula el valor divino, y la única forma posible de paliar ese progreso es la confusión del lenguaje, pues eso será lo que produzca la dispersión y la falta de acuerdo. La cuestión también puede explicar esa afición tan común por lo canónico en arquitectura que se mantiene a lo largo de grandes períodos, al igual que una gran máquina de inercia. Parece que los conceptos primordiales de la arquitectura basados en elementos simples como el hito, el dintel, lo recto y lo curvo, la rampa o la escalera, y el uso distinto o cualificado que se otorga a la piedra, el ladrillo, la madera o el metal como componentes primordiales del material arquitectónico se haya mantenido a lo largo de muchos milenios sin apenas cambios, al igual que ocurre con las costumbres alimenticias que siguen una progresión ascendente a través de lo crudo, lo asado y lo cocido, hasta obtener distintos grados de refina-miento, pero que siempre se sustentan en la sensación primigenia. El descubrimiento de la arquitectura proviene de un cierto manejo de las dimensiones, y consiguientemente de la geometría. Pero la geometría es cosa abstracta al igual que el lenguaje, de modo que para poder realizar arquitectura se hace necesaria esa capacidad de abstracción primera que luego permite la realización de un dispositivo. La realidad y su número exhiben un divorcio, al igual que las cosas y sus nombres exhiben el suyo, y el análisis numérico es solamente una forma de ver la realidad, una forma rigurosa y exacta – aunque parcial - que solamente representa el modelo ideal al cual la realidad se aproxima en mayor o menor medida: esa aproximación matemática hace que el universo pueda condensarse parcialmente en números, al igual que la realidad puede condensarse en nombres, pero ni el nombre ni el número reflejarán el mundo en toda su complejidad. El número es quizá solamente un medio de describir las cosas, como lo serían las formas puras que responden a una configuración matemática que pueda producirse en teoría en cualquier parte del Universo. Sin embargo, para el ejercicio de la arquitectura es preciso acudir a esa simplificación que exige la visión abstracta del plano como una sección cierta realidad como un corte abstracto del elemento considerado. Con su traza o sin ella, con la propia expresión matemática que lo describa o sin precisarla, esa intuición del plano como elemento generador del espacio es anterior a aquella expresión, al igual que el habla fue anterior a la escritura, pues solamente se produjo a través de ella y como refuerzo y sustituto de la memoria. Existen así abstracciones de la memoria que aparecen derivadas de los signos de la naturaleza aparecidos solamente de forma eventual y fragmentaría: así ocurre con la línea, el cuadrado y el círculo, formas iniciales y abstractas sonsacadas en cierta medida de la observación que dan origen a los primeros signos de la arquitectura primordial, de modo que cuadrados y círculos, elevados a prismas y superficies esféricas o esferoides aparecen en tumbas y edificios elementales de los primeros tiempos mediante una geometría primordial que se superpone al paisaje en el que se inserta. Es cierto también que esas formas se encuentran ya aproximadas en objetos que se encuentran en el medio físico, líneas en extremidades, ramas y miembros; ángulos rectos en algunos cristales que se observan mediante corte o formas circulares en astros y cráteres, pero esa realidad solamente presenta su forma aproximada y no su abstracción pura, de igual modo que el jeroglífico propondrá al ave rapaz para representar la idea de vigilancia y la buena vista, o incluso que la imagen del propio ojo sustituya la idea del Dios que todo lo ve en las culturas anti-guas. La elección fue resuelta, después de muchos intentos y aproximaciones, con la adopción del ángulo recto como un artificio fácil para el replanteo a través del triángulo sagrado 3:4:5 que ya se utilizó para construir las pirámides de Egipto, y que dio origen también a la mayor parte del urbanismo antiguo, coexistiendo con la forma circular primordial en el tipo denominado “tholo”. Aquella trama cuadrangular era uno de los patrones de relleno del espacio más comunes y compactos, y esa fue probablemente la razón por la que en tiempos muy posteriores fuera adoptada como una forma eficaz permanente de organización frente al desorden topológico que procura el conjunto de asociación de plantas circulares. Otra cuestión paradigmática es que esos conceptos primordiales e ignotos - que convergen en el mismo origen de las civilizaciones - se conviertan luego en algo canónico, a través del uso. El canon en sí mismo es algo ideal, como una norma aplicable a objetos de una realidad que ha sido creada solamente como indicio del ca-non, algo abstracto que tiene proporciones estrictas que son siempre las mismas y no obedece a criterios racionales: será absurdo sin embargo buscar el canon griego entre los templos de época como algunos lo hicieron, pues los edificios solamente se aproximan a los ejemplos canónicos y por esa razón se habla del “dórico del Partenón” que es diferente del de Egina o del de Paestum, siendo todos ellos evidentemente dóricos. Sin embargo, esa idea resulta útil al tratadista, al teórico de la arquitectura y al historiador, aun-que solamente refleje una vaga idea de lo que sucede más allá del tratado. Otra cuestión es la sutileza de los ejemplos de arquitectura, y del mismo modo que los cuerpos de los seres vivos jamás son simétricos, aunque respondan a un diseño simétrico general derivado de las condiciones de la división celular, los edificios supuestamente canónicos en los que los especialistas se inspiraron para definir los órdenes clásicos no disponen de esa simetría modular exacta, sino que adaptan un modelo general al lugar siempre cambiante del emplazamiento, es decir, se adaptan con habilidad a la vez que configuran el paisaje en el que se insertan. La luz de los distintos intercolumnios del Partenón es ligeramente distinta, aunque guarde un evidente sentido de simetría axial, de manera que aquellos “órdenes” que formaron la Teoría de la Arquitectura no son más que una bella interpretación sectorial de la arquitectura antigua elaborada por los tratadistas del Renacimiento y, posteriormente, por los neoclásicos. Parece, sin embargo, que ese ansia por el canon como claridad de lenguaje es algo consustancial al desarrollo de la arquitectura, una lingua franca que tiende a evitar la dispersión producida entre los mortales por los dioses antiguos, de modo que si no era posible llegar al cielo de los dioses se procuró que el lenguaje de la Tierra fuera al menos inteligible para poder entenderse entre los hombres. Parece que la estructura del poder siempre requirió de un determinado nivel de organización, y también que las instrucciones se entendieran con claridad: parece que en nuestros tiempos esos antiguos cánones se han sustituido por la obediencia a normas abstractas, dictadas por instituciones también algo abstractas y que tienen nombres divertidos compuestos por siglas, aunque no se conozca bien su virtud. El canon actual está constituido por “normas” que dejan tranquilos a algunos, aunque parece quizá que todo ese entramado formal que sirve como anestesia para el cuerpo social procura también la destrucción de los bosques en formas de montañas ingentes de papel burocrático. Durante muchos siglos las normas fueron otras, en la forma de un canon del cual nadie podía escapar: aún así, mediante la utilización de cánones o sin ellos, la arquitectura prosperó en la civilización desde los primeros refugios cavernarios o los abrigos primigenios y de ese modo fue configurando la realidad, es decir, el paisaje. Como antes se dijo, ese es un viaje de ida y vuelta en el cual ambos se confundían y subsumían: el manejo de las formas y lenguajes de la arquitectura posibilitaría con el tiempo la distinción entre el campo en donde reina el caos y la ciudad, en donde reina teóricamente el orden, creando un divorcio que duraría milenios y que aún persiste. Esa oposición generaría también una forma de paisaje y una serie de usos simbólicos y sagrados de los elementos de la arquitectura - como son puertas y murallas - que se han mantenido conceptualmente aunque hoy las ciudades ya no posean murallas físicas, ni puertas que se cierran con la llegada de la noche. En ese sentido, la arquitectura ha podido definir el paisaje, entendiendo la arquitectura no solamente como los edificios en sí, sino como el hecho de la manifestación del hombre sobre el territorio, de modo que no podrá hablarse de paisaje sin su arquitectura, del mismo modo que no puede hablarse de paisaje sin hombres. Por esta razón, la Tesis habla sobre Arquitectura y Paisaje, pero más particularmente sobre el hecho de la arquitectura en la definición del paisaje, es decir, de como los hechos arquitectónicos van a determinar o no la cualidad y la calificación de un paisaje. Deberá partirse en primer lugar de una definición de lo que se entiende y se ha entendido comúnmente por paisaje: igualmente, y habida cuenta del contexto en el que sitúa el propio trabajo de tesis, la cuestión solamente se circunscribirá a lo que se entiende como cultura occidental, pues el desarrollo de la civilización presenta siempre un color local que hace que el análisis de un fenómeno de esta envergadura tenga distintas connotaciones en las distintas áreas de civilización. De igual modo, y habida cuenta también que el paisaje se construye a través de todas las manifestaciones culturales, se hará a veces necesario indagar en otras disciplinas no arquitectónicas para comprender el alcance de algunos casos en los cuales los restos arquitectónicos han desaparecido, o en los que subsisten escasas trazas. Una definición tan amplia de la Arquitectura llevaría a escribir un relato sobre toda la cultura occidental y por ese motivo solamente se han esbozado ideas sobre la aparición de esos signos sobre el paisaje basados en elementos antiguos y primigenios que se repiten con insistencia y van dando lugar al variado repertorio de la arquitectura occidental cómo conformación de ideas sobre el me-dio y sobre el mundo que se percibe y se habita. ABSTRACT About Architecture in defining Landscape. Abstract Architecture is commonly manifested in buildings as a fact of reality that has always a contemporary character and that should be the highest value of an art that does not distinguish between ancient and modern, to affect the present and be contemporary as experience. Objects are inserted irremediably in their midst and even sometimes come to define it: thus, architecture and landscape, appear sometimes confused with differences difficult to determine. However, the term "landscape" is relatively modern and is derived from certain graphical or pictorial representations produced in the West in some subsequent period to the Renaissance. The fact that a word can be written or quoting does not mean that the reality that can not be answered, because the writing is only a mean of expression, and it is obvious that there are other and perhaps older equally important, because the writing itself is nothing more than the reflection of a phenomenon that has occurred before. It thus appears that the testimony of reality is given by different contexts in what is called "culture", so that cultures can have aspects of great interest by many different expression systems without this necessarily have to pass through the filter of alphabet and writing. Under the initial findings, it appears that the question of writing originally had a character and finding accounting entries, and it can not be established with certainty whether some used writing as the support appropriate to refer myths or stories, because archaeology has provided only fragmentary evidence. Another issue that raises questions is what can properly be defined as writing, it seems that the oldest modes are reduced to writing pictograms are still indecipherable. Languages and place names are also very useful tools for diving in the past, but still questions remain in the scriptures that come from the primordial representations: either it is very well defined what the own writing in its origins: the beginnings seem to feed on immediate intuitions of representation, which would evolve representing reality that urgent and immediate control or supply which is then inherited into fragments. It is noteworthy, however, that this huge set of graphics agreements was subject to the word and the disappearance of cultures determined also the consequent disappearance of their languages, and those signs - whether or not they write - have passed definitively to dark areas of knowledge. Writings supposed also the capacity of abstraction graph differentiates the word and the thing, and it is possible that the reason to carry this discovery was simply that of an economy of signs, for writing and language are limited by definition, while the things of the world are innumerable: no language contains all words to describe all that may appear. Apparently, that's why there is a localism - a specific term that refers to something that exists in one place and not in others - in regards to name the thing and also the source of paradigm among peoples are considered primitive and civilized. It should be noted also that transposition occurs in both directions, so that the most isolated cultures also incorporate concepts that lack a consistent rational explanation. Mythologies are eternal and therefore serve to explain realities that lack an understanding achievable and also pretty clear that languages happen to be an enigma, as an autonomous reality that is enclosed and explains itself. It also seems that the first to write consonants were isolated western Semitic peoples from the shores of the Mediterranean, peoples who created a syllabic alphabet came to be used even by tartesios in southern Iberia as the first alphabet in Western Europe. It is clear that the term "landscape" has always nurtured representations, either written or artis-tic, but it is also clear that these representations are assumed arising from belief in an idea of landscape as something that is represented in itself, as the image of a reality external located outside the individual. That is an important fact because the landscape requires remoteness of the thing, so that the actor - even knowing insert in landscape - is unable to perceive from within. The landscape is just as in a theatre or a performance: the actors are aware of their role and their possible role, but they are not the ones who can really enjoy the efficiency or the presence of the work itself, as part of it. The idea comes from an external landscape reading the principles of players in the drama, so if you want to be a critic of the landscape should leave the actual representation to watch the spectacle from a safe distance, finally external. Thus, the first finding of fact of the landscape appears as a reality constructed by objects and characters, but above all, a reality constructed by looks. Also noteworthy given the readings of specialists to the external reference - art if it could be - on the term "landscape", so no specialized literature on the subject always ends in treatises on painting or poetry. It seems however that the man and his landscapes are inseparable realities from the very onset of the species, so bring the issue into terms exclusively aesthetics seems a partial position. Man and environment have always been a single unit, but that unit has become synonymous with certain cases predation and destruction. Nevertheless, this destruction also creates a landscape as desolation that results from proper task of man elements that also have substantial contents of memory in industrial landscapes as a time of pre-automation history and globalization of current life. Perhaps the most interesting from a theoretical point of view is precisely that quality of landscape as something external produced by the viewer in a strange time of membership, a look that is not only aesthetic but sympathetic, joyful, active concept or analytical - because there are so many ways to look as subjects - it may not be precisely defined that contemplation rather than in terms that reach one's individuality. In poetic terms, it could also be set as the set of individual gazes also create a structure that makes this landscape is valued and understood, so from that point of view that landscape is a collective creation. With respect or as a predator, man has settled in his environment and in doing so has left traces in the landscape itself that make take a certain significance. Naturally, there is a theory that distinguishes what is "home" and what is "nature" providing for the first notion of the exclusive territory in which man has no aesthetic role. I tried many times to understand this position, without understanding the approach that supports: it seems that the vision of the thing is always humane, even in the "virgin" or untouched areas, as the vision itself makes the object modified in its own perceptual unit, creating a curious indeterminacy leading to the known misunderstandings between real image and representation. Indeed, the vision of the thing requires a culture and means that the report, so that a text, a picture, a description or photograph will be humanized by the very fact of being informed, as this provides a way a priori. Thus, the landscape provides a function that sets both aspects of a potential landscape as described aspects of the landscape and can only talk about the potential of the final state of the landscape, while the landscape remains humanized by the observer himself. This question forces to choose a definition of remote landscape budgets purely cultural, so there is another way for research to contemplate that physical reality in terms of the coordinates of the man who inhabits gifted content corresponding to that revelation. Far from the positions of the geomorphology, the term "landscape" and involve a certain condition by contemplation of a subject for which the show is humanized in the act. It should also consider, in the light of the above, if it is not true that all landscapes require that humanized condition, because although they are not inhabited they are always occupied by the look that dwells, like a stage without audience produces no consistent effect. From there the coordinates where this work sets the presence of architecture in defining landscape, a premise which seems to come from the beginning given lie, because that same look is already giving the viewer a sense of order and hierarchy to contemplation, qualities that are at the basis of all architectural activity, in fact the very definition of "natural monument" - in itself a contradiction - expresses this conflict, which has a phenomenon of admiration and overlap between culture and nature as concepts faced since its inception. The conclusion on the dilemma proposed in the thesis has not been another to assume that these two realities are the culture and landscape have overlapped since the beginning of man time forming a pair. It has been said before that the process of invasion of the territory by man is significant, and that meaning is the originating autonomous creation that is isolated as an abstract concept of nature, taking them as working material, and establishing a conceptual opposition in reality and punched by the man who comes to oppose representing the closed and unknown to the enigma of the world interpreted. The question of the significance of the man on the land is subsumed in the creation of products that remain and are testimony of their own culture, so that the trace amount that the man leaves the territory contributes most to the qualification landscape as a concept. That brought into any landscape - by the mere fact of being and being well defined - is already cultural, as it is configured by culture products. The words that can be locked in the stones of the monuments or cities are those of the men who worked there, and also of those who inhabited: even more, the sense of the landscape itself and its conservation are determined by the presence of man as the sole interpreter of concepts such as ecology or conservation, something which becomes manifest also in the awful devastation that produce the phenomena of nature. The natural history, like life, are shaped by success and devastation without special preference, the preference is used for feeding on other kinds of concepts. The question of moral values attributed to the natural world is very ancient, and may be the source or the source of the first religions, an issue that joins the unfailing notion of mortality that defines the existence of man against immanence of nature. That nature is endowed intuitively an "innocent" character assuming that innocence is the opposite of wisdom. The other issue is well, since nature does not even have what is defined as "character" because that is something that serves to qualify beings, but not objects. The question does not fall clearly on the side of the definitions or qualities, but from the analysis of the reality that man is building, destroying or damaging to define the territory, interposing his way resources facilities and possible witness as the main manifestation of its essence. Among the artifacts that man produces one of the most persistent and most conspicuously disclosed is architecture as a way of modification of space and territory. The space can be modified in many ways, but in either case is one of the most characteristic traces that man establishes as a physical manifestation of his own discourse being. Architecture has also proven to be one of the most persistent phenomena, even more than their own language that originates in his speech first. The paradigm wrote in the episode described on the Tower of Babel in the Bible shows the question of ambition of men before God - represented precisely in architecture - is assimilated to the discussion about the primary language. The issue is not trivial, since the phenomenon of creation is something that is granted exclusively to the gods, for that reason inhabit the territories to which men can not reach; territories where the hostel located mythologies gods and demons, with large gaps where to place the minor deities, heroes or hybrid beings where the yoke of the gods with human subjects produces relieving sense of mortality. The commentary on Genesis also gives a value to the art, the myth of Prometheus and fire as creator of excellence. In front of promethean progress, divine value is postulated, and the only possible way to alleviate this progress is the confusion of language, because that is what will produce the dispersion and lack of agreement. The issue may also explain such a common passion for the canonical architecture maintained throughout long periods, like a great machine inertia. It seems that the main concepts of architecture based on simple elements like milestone, lintels, straight and curved stairs or ramps, or other qualified and used are granted to the stone, brick, wood or metal as the primary components of the architectural material maintained throughout many millennia are almost unchanged, as is the case with the eating habits that follow a progression through the raw, the cooked and roasted or fried until obtain different degrees of refinement, but always are based on the primal feeling. The discovery of the architecture comes from a management dimensions, and consequently the geometry. But the geometry is abstract thing like the language so that to make architecture that first absorption capacity which then allows the realization of a device is necessary. Reality and its number exhibit a divorce, like things and their names displayed his; numerical analysis is just one way of seeing reality, rigorous and accurate - though partial - only represents the ideal model to which reality is coming to a greater or lesser extent: the mathematical approach makes the universe can condense on numbers, like reality may condense on names, but neither the name nor the number will reflect in all its complexity. The number is only a means of describing things, such as the pure forms that match setup a mathematical theory that occurs anywhere in the universe. However, for the practice of architecture is necessary to go to the simplification that requires abstract view of a section plane of reality, as an abstract element considered cutting. With its trace or not, with the mathematical expression that describes what or without clarify, this intuition of the plane as a generator of space predates his own expression, like speech preceded the writing, which only occurred through it and as reinforcement and replacement of memory. There are abstractions of memory displayed on the signs of nature only on casual and fragmentary, such as line, square and circle: those initials and abstract forms located in abstraction give rise to the first signs of primordial architecture, so that squares and circles, lifting two prisms and spheroids or spherical surfaces appear in tombs and elementary buildings the first few times, and that primordial geometry overlaps the landscape in which it is inserted. It is also true that these forms are approximate objects found in the physical environment, limb lines, branches and limbs; straight in some crystals angles observed by cutting or circular in stars and craters forms, but only the approximate shape and not its abstraction, just as the hieroglyphic of a falcon to represent the idea of surveillance presents the good view, or even the image of the eye itself replace the idea of the all-seeing God. The election was resolved, after many attempts and approaches, with the adoption of the right angle as an easy trick for stake through the sacred triangle 3:4:5 already used to build the pyramids of Egypt, and also gave rise to most of the old urbanism tend coexist with the primary circular form type called "Tholo". That frame homer was one of the fill patterns of common and compact space, and that was probably the reason why in much later times was adopted as a permanent effective form of organization against the topological disorder that seeks the set of association circular plants. Another issue is that these paradigmatic and unknown primary concepts - that converge at the origin of civilizations - then become something canon, through use. The canon itself is something ideal, as a rule for objects of a reality that has been created only as an indication of the ca-non, something abstract that has strict proportions are always the same and not due to rational criteria: be absurd however seek the Greek canon among the temples of time as some did, because the buildings only approximate the canonical examples and for that reason we speak of "doric from Parthenon" which is different from Aegina or Paestum, being all clearly doric. However, this idea is useful to scholar, the architectural theorist and historian, although it reflects only a vague idea of what happens beyond the book. Another issue is the subtlety of the examples of architecture, just as the bodies of living beings are never symmetrical, even if they involve a general symmetrical design derived from the conditions of cell division, the supposedly canonical buildings where specialists were inspired to define the classical orders do not have that exact modular symmetry, but a general model adapted to the ever changing location of the site shaping the landscape in which they are inserted. The light of the various bays of the Parthenon is slightly different, but keep a clear sense of axial symmetry, so that those "orders" that formed the theory of architecture are just a beautiful sectoral interpretation of ancient architecture developed by writers of the Renaissance and later by neoclassical. It seems, however, that craving for clarity of language canon as is inherent to the development of architecture, a lingua franca that tends to avoid scattering among mortals by the ancient gods, so if it was not possible the heaven of the gods sought the language of the Earth was at least intelligible to be understood. Power structure has always required a certain level of organization, and the instructions are clearly understood: it seems that in our times these ancient canons were replaced by obedience to abstract rules, issued by institutions also somewhat abstract and have funny names made up acronym, although not well known virtue. The current canon consists of "rules" that leave some quiet, although it seems that maybe all that interweaves-do formally serving as anaesthesia for the social body also seeks the destruction of forests in forms of huge mountains of bureaucratic paper. For many centuries were other rules, in the form of a canon which no one could escape: still using royalties or without them, civilization flourished in architecture from the earliest cave shelters or shelters and the primordial reality was setting mode in landscape. As noted above, this is a return trip in which both confused and subsumed: the management of forms and languages of architecture over time would allow the distinction between the field where chaos reigns and city, where order reigns theoretically creating a divorce that lasted millennia and still persists. This opposition also generate a form of landscape and a series of symbolic and sacred uses of architectural elements - such as doors and walls - which have remained conceptually although today the cities no longer having physical walls or doors close during the night. In this sense, the architecture could define the landscape, architecture is not only understood as the buildings themselves, but the fact of the manifestation of the man on the premises, so you can not speak without his landscape architecture, the same so we can not speak of landscape without men. For this reason, the thesis discusses architecture and landscape, but more particularly to the fact of architecture in defining landscape, as the facts of architectural or not will determine the quality and qualification of a landscape. One should begin first a definition of what is understood and has been commonly understood by landscape: equally, and given the context in which it places the own thesis work, the issue only be limited to what is understood as western culture, for the development of civilization always has a local colour that makes the analysis of a phenomenon of this magnitude have different connotations in different areas of civilization. Similarly, and given also that the landscape is constructed through all cultural manifestations, will sometimes necessary to investigate other non-architectural disciplines to understand the scope of some cases in which the architectural remains have disappeared, or the remaining few traces. Such a broad definition of architecture take to write a story about all of Western culture and for this reason only been sketched ideas about the appearance of these signs on the landscape based on ancient and primitive elements are repeated insistently and leading the varied repertoire of Western architecture shaping ideas about how the media and the world is perceived and inhabited.

NURBS-Based Geometry Parameterization for Aerodynamic Shape Optimization

La motivación de esta tesis es el desarrollo de una herramienta de optimización automática para la mejora del rendimiento de formas aerodinámicas enfocado en la industria aeronáutica. Este trabajo cubre varios aspectos esenciales, desde el empleo de Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), al cálculo de gradientes utilizando la metodología del adjunto continuo, el uso de b-splines volumétricas como parámetros de diseño, el tratamiento de la malla en las intersecciones, y no menos importante, la adaptación de los algoritmos de la dinámica de fluidos computacional (CFD) en arquitecturas hardware de alto paralelismo, como las tarjetas gráficas, para acelerar el proceso de optimización. La metodología adjunta ha posibilitado que los métodos de optimización basados en gradientes sean una alternativa prometedora para la mejora de la eficiencia aerodinámica de los aviones. La formulación del adjunto permite calcular los gradientes de una función de coste, como la resistencia aerodinámica o la sustentación, independientemente del número de variables de diseño, a un coste computacional equivalente a una simulación CFD. Sin embargo, existen problemas prácticos que han imposibilitado su aplicación en la industria, que se pueden resumir en: integrabilidad, rendimiento computacional y robustez de la solución adjunta. Este trabajo aborda estas contrariedades y las analiza en casos prácticos. Como resumen, las contribuciones de esta tesis son: • El uso de NURBS como variables de diseño en un bucle de automático de optimización, aplicado a la mejora del rendimiento aerodinámico de alas en régimen transónico. • El desarrollo de algoritmos de inversión de punto, para calcular las coordenadas paramétricas de las coordenadas espaciales, para ligar los vértices de malla a las NURBS. • El uso y validación de la formulación adjunta para el calculo de los gradientes, a partir de las sensibilidades de la solución adjunta, comparado con diferencias finitas. • Se ofrece una estrategia para utilizar la geometría CAD, en forma de parches NURBS, para tratar las intersecciones, como el ala-fuselaje. • No existen muchas alternativas de librerías NURBS viables. En este trabajo se ha desarrollado una librería, DOMINO NURBS, y se ofrece a la comunidad como código libre y abierto. • También se ha implementado un código CFD en tarjeta gráfica, para realizar una valoración de cómo se puede adaptar un código sobre malla no estructurada a arquitecturas paralelas. • Finalmente, se propone una metodología, basada en la función de Green, como una forma eficiente de paralelizar simulaciones numéricas. Esta tesis ha sido apoyada por las actividades realizadas por el Área de Dinámica da Fluidos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), a través de numerosos proyectos de financiación nacional: DOMINO, SIMUMAT, y CORESFMULAERO. También ha estado en consonancia con las actividades realizadas por el departamento de Métodos y Herramientas de Airbus España y con el grupo Investigación y Tecnología Aeronáutica Europeo (GARTEUR), AG/52. ABSTRACT The motivation of this work is the development of an automatic optimization strategy for large scale shape optimization problems that arise in the aeronautics industry to improve the aerodynamic performance; covering several aspects from the use of Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), the calculation of the gradients with the continuous adjoint formulation, the development of volumetric b-splines parameterization, mesh adaptation and intersection handling, to the adaptation of Computational Fluid Dynamics (CFD) algorithms to take advantage of highly parallel architectures in order to speed up the optimization process. With the development of the adjoint formulation, gradient-based methods for aerodynamic optimization become a promising approach to improve the aerodynamic performance of aircraft designs. The adjoint methodology allows the evaluation the gradients to all design variables of a cost function, such as drag or lift, at the equivalent cost of more or less one CFD simulation. However, some practical problems have been delaying its full implementation to the industry, which can be summarized as: integrability, computer performance, and adjoint robustness. This work tackles some of these issues and analyse them in well-known test cases. As summary, the contributions comprises: • The employment of NURBS as design variables in an automatic optimization loop for the improvement of the aerodynamic performance of aircraft wings in transonic regimen. • The development of point inversion algorithms to calculate the NURBS parametric coordinates from the space coordinates, to link with the computational grid vertex. • The use and validation of the adjoint formulation to calculate the gradients from the surface sensitivities in an automatic optimization loop and evaluate its reliability, compared with finite differences. • This work proposes some algorithms that take advantage of the underlying CAD geometry description, in the form of NURBS patches, to handle intersections and mesh adaptations. • There are not many usable libraries for NURBS available. In this work an open source library DOMINO NURBS has been developed and is offered to the community as free, open source code. • The implementation of a transonic CFD solver from scratch in a graphic card, for an assessment of the implementability of conventional CFD solvers for unstructured grids to highly parallel architectures. • Finally, this research proposes the use of the Green's function as an efficient paralellization scheme of numerical solvers. The presented work has been supported by the activities carried out at the Fluid Dynamics branch of the National Institute for Aerospace Technology (INTA) through national founding research projects: DOMINO, SIMUMAT, and CORESIMULAERO; in line with the activities carried out by the Methods and Tools and Flight Physics department at Airbus and the Group for Aeronautical Research and Technology in Europe (GARTEUR) action group AG/52.

Tridimensional simulation of the speed, pressure and turbulence fields of the air flow on the geometry of a freight truck inside a wind tunnel

This study shows the air flow behavior through the geometry of a freight truck inside a AF6109 wind tunnel with the purpose to predict the speed, pressure and turbulence fields made by the air flow, to decrease the aerodynamic resistance, to calculate the dragging coefficient, to evaluate the aerodynamics of the geometry of the prototype using the CFD technique and to compare the results of the simulation with the results obtained experimentally with the “PETER 739 HAULER” scaled freight truck model located on the floor of the test chamber. The Geometry went through a numerical simulation process using the CFX 5,7. The obtained results showed the behavior of the air flow through the test chamber, and also it showed the variations of speed and pressure at the exit of the chamber and the calculations of the coefficient and the dragging force on the geometry of the freight truck. The evaluation of the aerodynamics showed that the aerodynamic deflector is a device that helped the reduction the dragging produced in a significant way by the air. Furthermore, the dragging coefficient and force on the prototype freight truck could be estimated establishing an incomplete similarity.

Estudio del flujo sanguíneo para diferentes técnicas de implantación de stents en bifurcaciones coronarias

Las enfermedades arteriales vienen presididas por la aterosclerosis, que es un proceso crónico de degeneración, que evoluciona hacia la obstrucción de la luz arterial. La pared de la arteria se engrosa debido al depósito de elementos grasos tales como el colesterol. Los stents intraluminales son diminutas estructuras tubulares autoexpandibles de malla de metal, que se colocan dentro de la arteria coronaria después de una angioplastia con balón para prevenir el cierre de dicha arteria. A pesar de estar diseñados para ser compatibles con el tejido humano, a menudo se da una reacción en cadena de consecuencias indeseables. La reestenosis intra-stent es un problema creciente debido al importante incremento que se ha producido en la utilización del stent intracoronario como forma de revascularización percutánea. Se habla de una incidencia global del 28%, siendo la causa principal de su aparición la proliferación neointimal a través de una compleja cascada de sucesos que pueden tardar meses en desarrollarse. Una de las reacciones más importantes es la trombosis o la formación de una fina capa de coágulo como respuesta a la presencia de un material extraño. Este proceso es multifactorial, y en él intervienen la regresión de la pared como consecuencia del estiramiento previo, la denudación endotelial, lo que permite la agregación plaquetaria, la proliferación neointimal, lo que facilita a los receptores de membrana desencadenar un proceso de agregación posterior y, por último, el remodelado negativo inadecuado de la pared, lo que produce pérdida de luz arterial. Se ha observado frecuentemente que el depósito de ateroma en la pared arterial está relacionado con el valor de los esfuerzos cortantes en la misma. Hay mayores probabilidades de engrosamiento de la pared en las zonas donde son bajos los esfuerzos cortantes, quizá por el mayor tiempo de residencia de las partículas circulantes por el torrente sanguíneo. Si nos centramos en la afirmación anterior, el siguiente paso sería buscar las zonas susceptibles de presentar un valor bajo de dichos esfuerzos. Las zonas potencialmente peligrosas son los codos y bifurcaciones, entre otras. Nos hemos centrado en una bifurcación coronaria, ya que los patrones de flujo que se suelen presentar, tales como recirculación y desprendimiento de vórtices están íntimamente relacionados con las técnicas de implantación de stents en esta zona. Proyectamos nuestros esfuerzos en el estudio de dos técnicas de implante, utilizando un único stent y una tercera a través de una configuración de culotte con el uso de dos stents. El primer caso trata de una bifurcación con un único stent en la rama principal cuyos struts cierran el orificio lateral que da salida a la rama secundaria de la bifurcación, es decir sería un stent sin orificio. El segundo consiste en un único stent también, pero con la diferencia de que éste presenta un orificio de comunicación con la rama lateral. Todas estas técnicas se aplicaron a bifurcaciones de 45º y de 90º. Introdujimos las geometrías -una vez confeccionadas con el código comercial Gambit- en el programa Ansys-Fluent contemplando régimen estacionario. Los resultados obtenidos fueron cotejados con los experimentales, que se realizaron paralelamente, con el fin de corroborarlos. Una vez validados, el estudio computacional ya contó con la fiabilidad suficiente como para abordar el régimen no estacionario, tanto en la versión de reposo como en la de ejercicio –hiperemia- El comportamiento reológico de la sangre para régimen no estacionario en estado de reposo es otra de las tareas abordadas, realizando una comparativa de los modelos Newtoniano, Carreau y Ley de Potencias. Finalmente, en una última etapa, debido a la reciente incursión de los stents diseñados específicamente frente a los convencionales, se aborda el comportamiento hemodinámico de los mismos. Concretamente, se comparó el patrón de flujo en un modelo de bifurcación coronaria con los nuevos stents (Stentys) y los convencionales. Se estudiaron cuatro modelos, a saber, stent simple en la rama principal, stent simple en la rama secundaria, culotte desplegando el primer stent en la rama principal y culotte desplegando el primer stent en la rama secundaria. La bifurcación estudiada presenta un ángulo de apertura de 45º y la relación de diámetros de las ramas hija se ajustaron de acuerdo a la ley de Finet. Se recogieron resultados experimentales en el laboratorio y se corrieron simulaciones numéricas con Ansys Fluent paralelamente. Las magnitudes que se tuvieron en cuenta con el fin de ubicar las regiones potencialmente ateroscleróticas fueron los esfuerzos cortantes, vorticidad y caída de presión. ABSTRACT Nowadays, restenosis after percutaneous dilation is the major drawback of coronary angioplasty. It represents a special form of atherosclerosis due to the healing process secondary to extensive vessel trauma induced after intracoronary balloon inflation. The use of coronary stents may decrease the incidence of this phenomenon. Unfortunately, intra-stent restenosis still occurs in 20-30% of the cases following the stent implantation. Most experiments suggest a correlation between low wall shear stress and wall thickness. The preferential locations for the atherosclerotic plaque are bifurcations. The objective of this work is to analyze the local hemodynamic changes caused in a coronary bifurcation by three different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the main vessel with kissing balloon in the side branch and culotte. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used, and two bifurcation angles, 45º and 90º, are chosen as representative of the wide variety of real configurations. Both numerical simulations and experimental measurements are performed. First, steady simulations are carried out with the commercial code Ansys-Fluent, then, experimental measurements with PIV (Particle Image Velocimetry), obtained in the laboratory, are used to validate the numerical simulations. The steady computational simulations show a good overall agreement with the experimental data. Then, pulsatile flow is considered to take into account the transient effects. The time averaged wall shear stress, oscillatory shear index and pressure drop obtained numerically are used to compare the behavior of the stenting techniques. In a second step, the rheologic behavior of blood was considered comparing Newtonian, Carreau and Power Law models. Finally, as a result of previous investigations with conventional stents and after the recent emergence of several devices specifically designed for coronary bifurcations angioplasty, the hemodynamic performance of these new devices (Stentys) was compared to conventional ones and techniques in a coronary bifurcation model. Four different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the side vessel, culotte deploying the first stent in the main vessel and culotte deploying the first stent in the side vessel have been considered. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used. A 45 degrees bifurcation angle is considered and the daughter branches diameters are obtained according to the Finet law. Both experiments in the laboratory and numerical simulations were used , focusing on important factors for the atherosclerosis development, like the wall shear stress, the oscillation shear index, the pressure loss and the vorticity.

Global Stability Analysis of Turbulent Transonic Flows on Airfoil geometries

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

Contribution to the analysis and design of reflectarray antennas for reconfigurable beam applications at frequencies above 100 GHz using liquid crystal technology

El trabajo contenido en esta tesis doctoral está encuadrado en el desarrollo de antenas reconfigurables electrónicamente capaces de proporcionar prestaciones competitivas a las aplicaciones cada vez más comunes que operan a frecuencias superiores a 60 GHz. En concreto, esta tesis se centra en el estudio, diseño, e implementación de las antenas reflectarray, a las que se introduce la tecnología de cristal líquido como elemento característico con el que se consigue reconfigurabilidad de haz de forma electrónica. Desde un punto de vista muy general, se puede describir un cristal líquido como un material cuya permitividad eléctrica es variable y controlada por una excitación externa, que generalmente suele corresponderse con un campo eléctrico quasi-estático (AC). Las antenas reflectarray de cristal líquido se han escogido como objeto de estudio por varias razones. La primera de ellas tiene que ver con las ventajas que los reflectarrays, y en especial aquellos realizados en configuración planar, proporcionan con respecto a otras antenas de alta ganancia como los reflectores o los “phased-arrays”. En los reflectarrays, la alimentación a través de una fuente primaria común (característica de reflectores) y el elevado número de grados de libertad de las celdas que los componen (característica de arrays) hacen que estas antenas puedan proporcionar prestaciones eléctricas iguales o mejores que las anteriores, a un coste más reducido y con estructuras de antena más compactas. La segunda razón radica en la flexibilidad que ofrece el cristal líquido a ser confinado y polarizado en recintos de geometría variada, como consecuencia de su fluidez (propiedad de los líquidos). Por ello, la tecnología de cristal líquido permite que el propio elemento reconfigurable en las celdas de reflectarray se adapte a la configuración planar de manera que en sí mismo, el cristal líquido sea una o varias de las capas características de esta configuración. Esto simplifica de forma drástica la estructura y la fabricación de este tipo de antenas, incluso si se comparan con reflectarrays reconfigurables basados en otras tecnologías como diodos, MEMS, etc. Por tanto, su coste y desarrollo es muy reducido, lo que hace que se puedan fabricar reflectarrays reconfigurables eléctricamente grandes, a bajo coste, y en producción elevada. Un ejemplo claro de una estructura similar, y que ha tenido éxito comercial, son las pantallas de cristal líquido. La tercera razón reside en el hecho de que el cristal líquido es, hasta la fecha, de las pocas tecnologías capaces de ofrecer reconfigurabilidad del haz a frecuencias superiores a 60 GHz. De hecho, el cristal líquido permite reconfigurabilidad en un amplio margen de frecuencias, que va desde DC a frecuencias del espectro visible, incluyendo las microondas y los THz. Otras tecnologías, como los materiales ferroeléctricos, el grafeno o la tecnología CMOS “on chip” permiten también conmutar el haz en estas frecuencias. Sin embargo, la tecnología CMOS tiene un elevado coste y actualmente está limitada a frecuencias inferiores a 150 GHz, y aunque los materiales ferroeléctricos o el grafeno puedan conmutar a frecuencias más altas y en un rango más amplio, tienen serias dificultades que los hacen aún inmaduros. En el caso de los materiales ferroeléctricos, los elevados voltajes para conmutar el material los hacen poco atractivos, mientras que en el caso del grafeno, su modelado aún está en discusión, y todavía no se han arrojado resultados experimentales que validen su idoneidad. Estas tres razones hacen que los reflectarrays basados en cristal líquido sean atractivos para multitud de aplicaciones de haz reconfigurable a frecuencias superiores a 60 GHz. Aplicaciones como radar de escaneo de imágenes de alta resolución, espectroscopia molecular, radiómetros para observación atmosférica, o comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia (WiGig) son algunas de ellas. La tesis está estructurada en tres partes. En la primera de ellas se describen las características más comunes de los cristales líquidos, centrándonos en detalle en aquellas propiedades ofrecidas por este material en fase nemática. En concreto, se estudiará la anisotropía dieléctrica (Ae) de los cristales líquidos uniaxiales, que son los que se emplean en esta tesis, definida como la diferencia entre la permitividad paralela (£//) y la perpendicular (e±): Ae = e,, - e±. También se estudiará la variación de este parámetro (Ae) con la frecuencia, y el modelado electromagnético macroscópico más general que, extraído a partir de aquella, permite describir el cristal líquido para cada tensión de polarización en celdas de geometría planar. Este modelo es de suma importancia para garantizar precisión en el desfasaje proporcionado por las diferentes celdas reconfigurables para reflectarrays que se describirán en la siguiente parte de la tesis. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño de celdas reflectarray resonantes basadas en cristal líquido. La razón por la que se escogen estos tipos de celdas reside en el hecho de que son las únicas capaces de proporcionar rangos de fase elevados ante la reducida anisotropía dieléctrica que ofrecen los cristales líquidos. El objetivo de esta parte trata, por tanto, de obtener estructuras de celdas reflectarray que sean capaces de proporcionar buenas prestaciones eléctricas a nivel de antena, mejorando sustancialmente las prestaciones de las celdas reportadas en el estado del arte, así como de desarrollar una herramienta de diseño general para aquellas. Para ello, se estudian las prestaciones eléctricas de diferentes tipos de elementos resonantes de cristal líquido que van, desde el más sencillo, que ha limitado el estado de la técnica hasta el desarrollo de esta tesis y que está formado por un sólo resonador, a elementos que constan de varios resonadores (multi-resonantes) y que pueden ser monocapa o multicapa. En un primer paso, el procedimiento de diseño de estas estructuras hace uso de un modelo convencional de cristal líquido que ha venido siendo usado en el estado del arte para este tipo de celdas, y que considera el cristal líquido como un material homogéneo e isótropo cuya permitividad varía entre (e/7) y (e±). Sin embargo, en esta parte de la tesis se demuestra que dicho modelado no es suficiente para describir de forma genérica el comportamiento del cristal líquido en las celdas tipo reflectarray. En la tesis se proponen procedimientos más exactos para el análisis y diseño basados en un modelo más general que define el cristal líquido como un material anisótropo e inhomogeneo en tres dimensiones, y se ha implementado una técnica que permite optimizar celdas multi-resonantes de forma eficiente para conseguir elevadas prestaciones en cuanto a ancho de banda, rango de fase, pérdidas, o sensibilidad al ángulo de incidencia. Los errores cometidos en el uso del modelado convencional a nivel de celda (amplitud y fase) se han analizado para varias geometrías, usando medidas de varios prototipos de antena que usan un cristal líquido real a frecuencias superiores a 100 GHz. Las medidas se han realizado en entorno periódico mediante un banco cuasi-óptico, que ha sido diseñado especialmente para este fin. Uno de estos prototipos se ha optimizado a 100 GHz para conseguir un ancho de banda relativamente elevado (10%), pérdidas reducidas, un rango de fase mayor de 360º, baja sensibilidad al ángulo de incidencia, y baja influencia de la inhomogeneidad transversal del cristal líquido en la celda. Estas prestaciones a nivel de celda superan de forma clara aquellas conseguidas por otros elementos que se han reportado en la literatura, de manera que dicho prototipo se ha usado en la última parte de la tesis para realizar diversas antenas de barrido. Finalmente, en esta parte se presenta una estrategia de caracterización de la anisotropía macroscópica a partir de medidas de los elementos de reflectarray diseñados en banco cuasi-óptico, obteniendo resultados tanto en las frecuencias de interés en RF como en AC, y comparándolas con aquellas obtenidas mediante otros métodos. La tercera parte de la tesis consiste en el estudio, diseño, fabricación y medida de antenas reconfigurables basadas en cristal líquido en configuraciones complejas. En reflectarrays pasivos, el procedimiento de diseño de la antena se limita únicamente al ajuste en cada celda de la antena de las dimensiones de las metalizaciones que se emplean para el control de fase, mediante procesos de optimización bien conocidos. Sin embargo, en el caso de reflectarrays reconfigurables basados en cristal líquido, resulta necesario un paso adicional, que consiste en calcular de forma adecuada las tensiones de control en cada celda del reflectarray para configurar la fase requerida en cada una de ellas, así como diseñar la estructura y los circuitos de control que permitan direccionar a cada elemento su tensión correspondiente. La síntesis de tensiones es por tanto igual o más importante que el diseño de la geometría de las celdas, puesto que éstas son las que están directamente relacionadas con la fase. En el estado del arte, existen varias estrategias de síntesis de tensiones que se basan en la caracterización experimental de la curva de fase respecto al voltaje. Sin embargo, esta caracterización sólo puede hacerse a un solo ángulo de incidencia y para unas determinadas dimensiones de celda, lo que produce que las tensiones sintetizadas sean diferentes de las adecuadas, y en definitiva que se alcancen errores de fase mayores de 70º. De esta forma, hasta la fecha, las prestaciones a nivel de antena que se han conseguido son reducidas en cuanto a ancho de banda, rango de escaneo o nivel de lóbulos secundarios. En esta última parte de la tesis, se introduce una nueva estrategia de síntesis de tensiones que es capaz de predecir mediante simulaciones, y con alta precisión, las tensiones que deben introducirse en cada celda teniendo en cuenta su ángulo de incidencia, sus dimensiones, la frecuencia, así como la señal de polarización definida por su frecuencia y forma de onda AC. Esta estrategia se basa en modelar cada uno de los estados de permitividad del cristal líquido como un sustrato anisótropo con inhomogeneidad longitudinal (1D), o en ciertos casos, como un tensor equivalente homogéneo. La precisión de ambos modelos electromagnéticos también se discute. Con el objetivo de obtener una herramienta eficiente de cálculo de tensiones, también se ha escrito e implementado una herramienta de análisis basada en el Método de los Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) para sustratos estratificados anisótropos, que se usa en cada iteración del procedimiento de síntesis para analizar cada una de las celdas de la antena. La síntesis de tensiones se ha diseñado además para reducir al máximo el efecto del rizado de amplitud en el diagrama de radiación, que es característico en los reflectarrays que están formados por celdas con pérdidas elevadas, lo que en sí, supone un avance adicional para la obtención de mejores prestaciones de antena. Para el cálculo de los diagramas de radiación empleados en el procedimiento de síntesis, se asume un análisis elemento a elemento considerando periodicidad local, y se propone el uso de un método capaz de modelar el campo incidente de forma que se elimine la limitación de la periodicidad local en la excitación. Una vez definida la estrategia adecuada de cálculo de las tensiones a aplicar al cristal líquido en cada celda, la estructura de direccionamiento de las mismas en la antena, y diseñados los circuitos de control, se diseñan, fabrican y miden dos prototipos diferentes de antena de barrido electrónico a 100 GHz usando las celdas anteriormente presentadas. El primero de estos prototipos es un reflectarray en configuración “single offset” con capacidad de escaneo en un plano (elevación o azimut). Aunque previamente se realizan diseños de antenas de barrido en 2D a varias frecuencias en el rango de milimétricas y sub-milimétricas, y se proponen ciertas estrategias de direccionamiento que permiten conseguir este objetivo, se desarrolla el prototipo con direccionamiento en una dimensión con el fin de reducir el número de controles y posibles errores de fabricación, y así también validar la herramienta de diseño. Para un tamaño medio de apertura (con un numero de filas y columnas entre 30 y 50 elementos, lo que significa un reflectarray con un número de elementos superior a 900), la configuración “single offset” proporciona rangos de escaneo elevados, y ganancias que pueden oscilar entre los 20 y 30 dBi. En concreto, el prototipo medido proporciona un haz de barrido en un rango angular de 55º, en el que el nivel de lóbulos secundarios (SLL) permanece mejor de -13 dB en un ancho de banda de un 8%. La ganancia máxima es de 19.4 dBi. Estas prestaciones superan de forma clara aquellas conseguidas por otros autores. El segundo prototipo se corresponde con una antena de doble reflector que usa el reflectarray de cristal líquido como sub-reflector para escanear el haz en un plano (elevación o azimut). El objetivo básico de esta geometría es obtener mayores ganancias que en el reflectarray “single offset” con una estructura más compacta, aunque a expensas de reducir el rango de barrido. En concreto, se obtiene una ganancia máxima de 35 dBi, y un rango de barrido de 12º. Los procedimientos de síntesis de tensiones y de diseño de las estructuras de las celdas forman, en su conjunto, una herramienta completa de diseño precisa y eficiente de antenas reflectarray reconfigurables basados en cristales líquidos. Dicha herramienta se ha validado mediante el diseño, la fabricación y la medida de los prototipos anteriormente citados a 100 GHz, que consiguen algo nunca alcanzado anteriormente en la investigación de este tipo de antenas: unas prestaciones competitivas y una predicción excelente de los resultados. El procedimiento es general, y por tanto se puede usar a cualquier frecuencia en la que el cristal líquido ofrezca anisotropía dieléctrica, incluidos los THz. Los prototipos desarrollados en esta tesis doctoral suponen también unas de las primeras antenas de barrido real a frecuencias superiores a 100 GHz. En concreto, la antena de doble reflector para escaneo de haz es la primera antena reconfigurable electrónicamente a frecuencias superiores a 60 GHz que superan los 25 dBi de ganancia, siendo a su vez la primera antena de doble reflector que contiene un reflectarray reconfigurable como sub-reflector. Finalmente, se proponen ciertas mejoras que aún deben se deben realizar para hacer que estas antenas puedan ser un producto completamente desarrollado y competitivo en el mercado. ABSTRACT The work presented in this thesis is focused on the development of electronically reconfigurable antennas that are able to provide competitive electrical performance to the increasingly common applications operating at frequencies above 60 GHz. Specifically, this thesis presents the study, design, and implementation of reflectarray antennas, which incorporate liquid crystal (LC) materials to scan or reconfigure the beam electronically. From a general point of view, a liquid crystal can be defined as a material whose dielectric permittivity is variable and can be controlled with an external excitation, which usually corresponds with a quasi-static electric field (AC). By changing the dielectric permittivity at each cell that makes up the reflectarray, the phase shift on the aperture is controlled, so that a prescribed radiation pattern can be configured. Liquid Crystal-based reflectarrays have been chosen for several reasons. The first has to do with the advantages provided by the reflectarray antenna with respect to other high gain antennas, such as reflectors or phased arrays. The RF feeding in reflectarrays is achieved by using a common primary source (as in reflectors). This arrangement and the large number of degrees of freedom provided by the cells that make up the reflectarray (as in arrays), allow these antennas to provide a similar or even better electrical performance than other low profile antennas (reflectors and arrays), but assuming a more reduced cost and compactness. The second reason is the flexibility of the liquid crystal to be confined in an arbitrary geometry due to its fluidity (property of liquids). Therefore, the liquid crystal is able to adapt to a planar geometry so that it is one or more of the typical layers of this configuration. This simplifies drastically both the structure and manufacture of this type of antenna, even when compared with reconfigurable reflectarrays based on other technologies, such as diodes MEMS, etc. Therefore, the cost of developing this type of antenna is very small, which means that electrically large reconfigurable reflectarrays could be manufactured assuming low cost and greater productions. A paradigmatic example of a similar structure is the liquid crystal panel, which has already been commercialized successfully. The third reason lies in the fact that, at present, the liquid crystal is one of the few technologies capable of providing switching capabilities at frequencies above 60 GHz. In fact, the liquid crystal allows its permittivity to be switched in a wide range of frequencies, which are from DC to the visible spectrum, including microwaves and THz. Other technologies, such as ferroelectric materials, graphene or CMOS "on chip" technology also allow the beam to be switched at these frequencies. However, CMOS technology is expensive and is currently limited to frequencies below 150 GHz, and although ferroelectric materials or graphene can switch at higher frequencies and in a wider range, they have serious difficulties that make them immature. Ferroelectric materials involve the use of very high voltages to switch the material, making them unattractive, whereas the electromagnetic modelling of the graphene is still under discussion, so that the experimental results of devices based on this latter technology have not been reported yet. These three reasons make LC-based reflectarrays attractive for many applications that involve the use of electronically reconfigurable beams at frequencies beyond 60 GHz. Applications such as high resolution imaging radars, molecular spectroscopy, radiometers for atmospheric observation, or high frequency wireless communications (WiGig) are just some of them. This thesis is divided into three parts. In the first part, the most common properties of the liquid crystal materials are described, especially those exhibited in the nematic phase. The study is focused on the dielectric anisotropy (Ac) of uniaxial liquid crystals, which is defined as the difference between the parallel (e/7) and perpendicular (e±) permittivities: Ae = e,, - e±. This parameter allows the permittivity of a LC confined in an arbitrary volume at a certain biasing voltage to be described by solving a variational problem that involves both the electrostatic and elastic energies. Thus, the frequency dependence of (Ae) is also described and characterised. Note that an appropriate LC modelling is quite important to ensure enough accuracy in the phase shift provided by each cell that makes up the reflectarray, and therefore to achieve a good electrical performance at the antenna level. The second part of the thesis is focused on the design of resonant reflectarray cells based on liquid crystal. The reason why resonant cells have been chosen lies in the fact that they are able to provide enough phase range using the values of the dielectric anisotropy of the liquid crystals, which are typically small. Thus, the aim of this part is to investigate several reflectarray cell architectures capable of providing good electrical performance at the antenna level, which significantly improve the electrical performance of the cells reported in the literature. Similarly, another of the objectives is to develop a general tool to design these cells. To fulfill these objectives, the electrical yields of different types of resonant reflectarray elements are investigated, beginning from the simplest, which is made up of a single resonator and limits the state of the art. To overcome the electrical limitations of the single resonant cell, several elements consisting of multiple resonators are considered, which can be single-layer or multilayer. In a first step, the design procedure of these structures makes use of a conventional electromagnetic model which has been used in the literature, which considers that the liquid crystal behaves as homogeneous and isotropic materials whose permittivity varies between (e/7) y (e±). However, in this part of the thesis it is shown that the conventional modelling is not enough to describe the physical behaviour of the liquid crystal in reflectarray cells accurately. Therefore, a more accurate analysis and design procedure based on a more general model is proposed and developed, which defines the liquid crystal as an anisotropic three-dimensional inhomogeneous material. The design procedure is able to optimize multi-resonant cells efficiently to achieve good electrical performance in terms of bandwidth, phase range, losses, or sensitivity to the angle of incidence. The errors made when the conventional modelling (amplitude and phase) is considered have been also analysed for various cell geometries, by using measured results from several antenna prototypes made up of real liquid crystals at frequencies above 100 GHz. The measurements have been performed in a periodic environment using a quasi-optical bench, which has been designed especially for this purpose. One of these prototypes has been optimized to achieve a relatively large bandwidth (10%) at 100 GHz, low losses, a phase range of more than 360º, a low sensitivity to angle of incidence, and a low influence of the transversal inhomogeneity of the liquid crystal in the cell. The electrical yields of this prototype at the cell level improve those achieved by other elements reported in the literature, so that this prototype has been used in the last part of the thesis to perform several complete antennas for beam scanning applications. Finally, in this second part of the thesis, a novel strategy to characterise the macroscopic anisotropy using reflectarray cells is presented. The results in both RF and AC frequencies are compared with those obtained by other methods. The third part of the thesis consists on the study, design, manufacture and testing of LCbased reflectarray antennas in complex configurations. Note that the design procedure of a passive reflectarray antenna just consists on finding out the dimensions of the metallisations of each cell (which are used for phase control), using well-known optimization processes. However, in the case of reconfigurable reflectarrays based on liquid crystals, an additional step must be taken into account, which consists of accurately calculating the control voltages to be applied to each cell to configure the required phase-shift distribution on the surface of the antenna. Similarly, the structure to address the voltages at each cell and the control circuitry must be also considered. Therefore, the voltage synthesis is even more important than the design of the cell geometries (dimensions), since the voltages are directly related to the phase-shift. Several voltage synthesis procedures have been proposed in the state of the art, which are based on the experimental characterization of the phase/voltage curve. However, this characterization can be only carried out at a single angle of incidence and at certain cell dimensions, so that the synthesized voltages are different from those needed, thus giving rise to phase errors of more than 70°. Thus, the electrical yields of the LCreflectarrays reported in the literature are limited in terms of bandwidth, scanning range or side lobes level. In this last part of the thesis, a new voltage synthesis procedure has been defined and developed, which allows the required voltage to be calculated at each cell using simulations that take into account the particular dimensions of the cells, their angles of incidence, the frequency, and the AC biasing signal (frequency and waveform). The strategy is based on the modelling of each one of the permittivity states of the liquid crystal as an anisotropic substrate with longitudinal inhomogeneity (1D), or in certain cases, as an equivalent homogeneous tensor. The accuracy of both electromagnetic models is also discussed. The phase errors made by using the proposed voltage synthesis are better than 7º. In order to obtain an efficient tool to analyse and design the reflectarray, an electromagnetic analysis tool based on the Method of Moments in the spectral domain (SD-MoM) has also written and developed for anisotropic stratified media, which is used at each iteration of the voltage synthesis procedure. The voltage synthesis is also designed to minimize the effect of amplitude ripple on the radiation pattern, which is typical of reflectarrays made up of cells exhibiting high losses and represents a further advance in achieving a better antenna performance. To calculate the radiation patterns used in the synthesis procedure, an element-by-element analysis is assumed, which considers the local periodicity approach. Under this consideration, the use of a novel method is proposed, which avoids the limitation that the local periodicity imposes on the excitation. Once the appropriate strategy to calculate the voltages to be applied at each cell is developed, and once it is designed and manufactured both the structure to address the voltages to the antenna and the control circuits, two complete LC-based reflectarray antennas that operate at 100 GHz have been designed, manufactured and tested using the previously presented cells. The first prototype consists of a single offset reflectarray with beam scanning capabilities on one plane (elevation and azimuth). Although several LC-reflectarray antennas that provide 2-D scanning capabilities are also designed, and certain strategies to achieve the 2-D addressing of the voltage are proposed, the manufactured prototype addresses the voltages in one dimension in order to reduce the number of controls and manufacturing errors, and thereby validating the design tool. For an average aperture size (with a number of rows and columns of between 30 and 50 elements, which means a reflectarray with more than 900 cells), the single offset configuration provides an antenna gain of between 20 and 30 dBi and a large scanning range. The prototype tested at 100 GHz exhibits an electronically scanned beam in an angular range of 55º and 8% of bandwidth, in which the side lobe level (SLL) remains better than -13 dB. The maximum gain is 19.4 dBi. The electrical performance of the antenna is clearly an improvement on those achieved by other authors in the state of the art. The second prototype corresponds to a dual reflector antenna with a liquid crystal-based reflectarray used as a sub-reflector for beam scanning in one plane (azimuth or elevation). The main objective is to obtain a higher gain than that provided by the single offset configuration, but using a more compact architecture. In this case, a maximum gain of 35 dBi is achieved, although at the expense of reducing the scanning range to 12°, which is inherent in this type of structure. As a general statement, the voltage synthesis and the design procedure of the cells, jointly make up a complete, accurate and efficient design tool of reconfigurable reflectarray antennas based on liquid crystals. The tool has been validated by testing the previously mentioned prototypes at 100 GHz, which achieve something never reached before for this type of antenna: a competitive electrical performance, and an excellent prediction of the results. The design procedure is general and therefore can be used at any frequency for which the liquid crystal exhibits dielectric anisotropy. The two prototypes designed, manufactured and tested in this thesis are also some of the first antennas that currently operate at frequencies above 100 GHz. In fact, the dual reflector antenna is the first electronically scanned dual reflector antenna at frequencies above 60 GHz (the operation frequency is 100 GHz) with a gain greater than 25 dBi, being in turn the first dual-reflector antenna with a real reconfigurable sub-reflectarray. Finally, some improvements that should be still investigated to make these antennas commercially competitive are proposed.

Singularities and undefinitions in the calibration functions of sonic anemometers

A mathematical model of the process employed by a sonic anemometer to build up the measured wind vector in a steady flow is presented to illustrate the way the geometry of these sensors as well as the characteristics of aerodynamic disturbance on the acoustic path can lead to singularities in the transformation function that relates the measured (disturbed) wind vector with the real (corrected) wind vector, impeding the application of correction/calibration functions for some wind conditions. An implicit function theorem allows for the identification of those combinations of real wind conditions and design parameters that lead to undefined correction/ calibration functions. In general, orthogonal path sensors do not show problematic combination of parameters. However, some geometric sonic sensor designs, available in the market, with paths forming smaller angles could lead to undefined correction functions for some levels of aerodynamic disturbances and for certain wind directions. The parameters studied have a strong influence on the existence and number of singularities in the correction/ calibration function as well as on the number of singularities for some combination of parameters. Some conclusions concerning good design practices are included.

On multiple-path sonic anemometer measurement theory

In this paper, a model of the measuring process of sonic anemometers with more than one measuring path is presented. The main hypothesis of the work is that the time variation of the turbulent speed field during the sequence of pulses that produces a measure of the wind speed vector affects the measurement. Therefore, the previously considered frozen flow, or instantaneous averaging, condition is relaxed. This time variation, quantified by the mean Mach number of the flow and the time delay between consecutive pulses firings, in combination with both the full geometry of sensors (acoustic path location and orientation) and the incidence angles of the mean with speed vector, give rise to significant errors in the measurement of turbulence which are not considered by models based on the hypothesis of instantaneous line averaging. The additional corrections (relative to the ones proposed by instantaneous line-averaging models) are strongly dependent on the wave number component parallel to the mean wind speed, the time delay between consecutive pulses, the Mach number of the flow, the geometry of the sensor and the incidence angles of mean wind speed vector. Kaimal´s limit k W1=1/l (where k W1 is the wave number component parallel to mean wind speed and l is the path length) for the maximum wave numbers from which the sonic process affects the measurement of turbulence is here generalized as k W1=C l /l, where C l is usually lesser than unity and depends on all the new parameters taken into account by the present model.

Soil aggregate geometry: Measurements and morphology

Aggregates provide physical microenvironments for microorganisms, the vital actors of soil systems, and thus play a major role as both, an arena and a product of soil carbon stabilization and dynamics. The surface of an aggregate is what enables exchange of the materials and air and water fluxes between aggregate exterior and interior regions. We made use of 3D images from X-ray CT of aggregates and mathematical morphology to provide an exhaustive quantitative description of soil aggregate morphology that includes both intra-aggregate pore space structure and aggregate surface features. First, the evolution of Minkowski functionals (i.e. volume, boundary surface, curvature and connectivity) for successive dilations of the solid part of aggregates was investigated to quantify its 3D geometrical features. Second, the inner pore space was considered as the object of interest. We devised procedures (a) to define the ends of the accessible pores that are connected to the aggregate surface and (b) to separate accessible and inaccessible porosity. Geometrical Minkowski functionals of the intra-aggregate pore space provide the exhaustive characterization of the inner structure of the aggregates. Aggregates collected from two different soil treatments were analyzed to explore the utility of these morphological tools in capturing the impact on their morphology of two different soil managements, i.e. conventional tillage management, and native succession vegetation treatment. The quantitative tools of mathematical morphology distinguished differences in patterns of aggregate structure associated to the different soil managements.