Interactive Graphic Simulation: An Advanced Methodology to Improve the Teaching-Learning Process in Nuclear Engineering Education and Training

Nowadays, computer simulators are becoming basic tools for education and training in many engineering fields. In the nuclear industry, the role of simulation for training of operators of nuclear power plants is also recognized of the utmost relevance. As an example, the International Atomic Energy Agency sponsors the development of nuclear reactor simulators for education, and arranges the supply of such simulation programs. Aware of this, in 2008 Gas Natural Fenosa, a Spanish gas and electric utility that owns and operate nuclear power plants and promotes university education in the nuclear technology field, provided the Department of Nuclear Engineering of Universidad Politécnica de Madrid with the Interactive Graphic Simulator (IGS) of “José Cabrera” (Zorita) nuclear power plant, an industrial facility whose commercial operation ceased definitively in April 2006. It is a state-of-the-art full-scope real-time simulator that was used for training and qualification of the operators of the plant control room, as well as to understand and analyses the plant dynamics, and to develop, qualify and validate its emergency operating procedures.

Formación y entrenamiento de ingenieros nucleares mediante el máster de Ciencia y Tecnología nuclear de la UPM

El Departamento de Ingeniería Nuclear imparte los Programas oficiales de Máster y Doctorado en Ciencia y Tecnología Nuclear, que cuentan desde el año 2006 con la Mención de Calidad del Ministerio de Educación y desde este curso 2010-2011con la Mención a la Excelencia. El contenido del Máster abarca desde la tecnología nuclear de los reactores de fisión hasta el estudio de los combustibles y materiales para los futuros reactores de fusión tanto inercial como magnética.

Steps Ahead in the Few-Group CRoss-Section Library Generation at the Pin Level

There exists an interest in performing pin-by-pin calculations coupled with thermal hydraulics so as to improve the accuracy of nuclear reactor analysis. In the framework of the EU NURISP project, INRNE and UPM have generated an experimental version of a few group diffusion cross sections library with discontinuity factors intended for VVER analysis at the pin level with the COBAYA3 code. The transport code APOLLO2 was used to perform the branching calculations. As a first proof of principle the library was created for fresh fuel and covers almost the full parameter space of steady state and transient conditions. The main objective is to test the calculation schemes and post-processing procedures, including multi-pin branching calculations. Two library options are being studied: one based on linear table interpolation and another one using a functional fitting of the cross sections. The libraries generated with APOLLO2 have been tested with the pin-by-pin diffusion model in COBAYA3 including discontinuity factors; first comparing 2D results against the APOLLO2 reference solutions and afterwards using the libraries to compute a 3D assembly problem coupled with a simplified thermal-hydraulic model.

Assessment of CTF boiling transition and critical heat flux modeling capabilities using the OECD/NRC BFBT and PSBT benchmark databases

The need to refine models for best-estimate calculations, based on good-quality experimental data, has been expressed in many recent meetings in the field of nuclear applications. The modeling needs arising in this respect should not be limited to the currently available macroscopic methods but should be extended to next-generation analysis techniques that focus on more microscopic processes. One of the most valuable databases identified for the thermalhydraulics modeling was developed by the Nuclear Power Engineering Corporation (NUPEC), Japan. From 1987 to 1995, NUPEC performed steady-state and transient critical power and departure from nucleate boiling (DNB) test series based on the equivalent full-size mock-ups. Considering the reliability not only of the measured data, but also other relevant parameters such as the system pressure, inlet sub-cooling and rod surface temperature, these test series supplied the first substantial database for the development of truly mechanistic and consistent models for boiling transition and critical heat flux. Over the last few years the Pennsylvania State University (PSU) under the sponsorship of the U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) has prepared, organized, conducted and summarized the OECD/NRC Full-size Fine-mesh Bundle Tests (BFBT) Benchmark. The international benchmark activities have been conducted in cooperation with the Nuclear Energy Agency/Organization for Economic Co-operation and Development (NEA/OECD) and Japan Nuclear Energy Safety (JNES) organization, Japan. Consequently, the JNES has made available the Boiling Water Reactor (BWR) NUPEC database for the purposes of the benchmark. Based on the success of the OECD/NRC BFBT benchmark the JNES has decided to release also the data based on the NUPEC Pressurized Water Reactor (PWR) subchannel and bundle tests for another follow-up international benchmark entitled OECD/NRC PWR Subchannel and Bundle Tests (PSBT) benchmark. This paper presents an application of the joint Penn State University/Technical University of Madrid (UPM) version of the well-known subchannel code COBRA-TF, namely CTF, to the critical power and departure from nucleate boiling (DNB) exercises of the OECD/NRC BFBT and PSBT benchmarks

Thickness dependence of critical temperature in Mo/Au bilayers

We report on the sensitivity of the superconducting critical temperature (TC) to layer thickness, as well as on TC reproducibility in Mo/Au bilayers. Resistivity measurements on samples with a fixed Au thickness (dAu) and Mo thickness (dMo) ranging from 50 to 250 nm, and with a fixed dMo and different dAu thickness are shown. Experimental data are discussed in the framework of Martinis model, whose application to samples with dAu above their coherence length is analysed in detail. Results show a good coupling between normal and superconducting layers and excellent TC reproducibility, allowing to accurately correlate Mo layer thickness and bilayer TC.

Synchrotron X-ray photoabsorption spectroscopy of plasmas

Theoretical X-ray opacities are used in numerous radiative transfer simulations of plasmas at different temperatures and densities, for example astrophysics, fusion, metrology and EUV and X-rays radiation sources. However, there are only a reduced number of laboratories working on the validation of those theoretical results empirically, in particular for high temperature plasmas (mayor que 1eV). One of those limitations comes from the use of broad band EUV- X ray sources to illuminate the plasma which, among other issues, present low reproducibility and repetition rate [1]. Synchrotron radiation facilities are a more appropriate radiation source in that sense, since they provide tunable, reproducible and high resolution photons. Only their ?low? photon intensity for these experiments has prevented researchers to use it for this purpose. However, as new synchrotron facilities improve their photon fluxes, this limitation not longer holds [2]. This work evaluates the experimental requirements to use third generation synchrotron radiation sources for the empirical measurement of opacities of plasmas, proposing a pausible experimental set-up to carry them out. Properties of the laser or discharge generated plasmas to be studied with synchrotron radiation will be discussed in terms of their maximum temperatures, densities and temporal evolution. It will be concluded that there are encouraging reasons to pursue these kind of experiments which will provide with an appropriate benchmark for theoretical opacities

Freeform Fresnel RXI-RR Köhler design with spectrum-splitting for photovoltaics

The development of a novel optical design for the high concentration photovoltaics (HPCV) nonimaging concentrator (>500x) that utilizes a built-in spectrum splitting concept is presented. The primary optical element (POE) is a flat Fresnel lens and the secondary optical element (SOE) is a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it. The POE and SOE perform Köhler integration to produce light homogenization on the receiver. The system uses a combination of a commercial concentration GaInP/GaInAs/Ge 3J cell and a concentration Back-PointContact (BPC) silicon cell for efficient spectral utilization, and an external confinement technique for recovering the 3J cell’s reflection. A design target of an “equivalent” cell efficiency ~46% is predicted using commercial 39% 3J and 26% Si cells. A projected CPV module efficiency of greater than 38% is achievable at a concentration level greater than 500X with a wide acceptance angle of ±1º. A first proof-of concept receiver prototype has been manufactured using a simpler optical architecture (with a lower concentration, ~100x and lower simulated added efficiency), and experimental measurements have shown up to 39.8% 4J receiver efficiency using a 3J cell with a peak efficiency of 36.9%

Free-form Fresnel RXI-RR Köhler design for high-concentration photovoltaics with spectrum-splitting

Development of a novel HCPV nonimaging concentrator with high concentration (>500x) and built-in spectrum splitting concept is presented. It uses the combination of a commercial concentration GaInP/GaInAs/Ge 3J cell and a concentration Back-Point-Contact (BPC) silicon cell for efficient spectral utilization, and external confinement techniques for recovering the 3J cell's reflection. The primary optical element (POE) is a flat Fresnel lens and the secondary optical element (SOE) is a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it - Both the POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization on the receiver. The band-pass filter transmits the IR photons in the 900-1200 nm band to the silicon cell. A design target of an "equivalent" cell efficiency ~46% is predicted using commercial 39% 3J and 26% Si cells. A projected CPV module efficiency of greater than 38% is achievable at a concentration level larger than 500X with a wide acceptance angle of ±1°. A first proof-of concept receiver prototype has been manufactured using a simpler optical architecture (with a lower concentration, ~100x and lower simulated added efficiency), and experimental measurements have shown up to 39.8% 4J receiver efficiency using a 3J cell with a peak efficiency of 36.9%.

An Experimental and Numerical Study of Ballistic Impacts on a Turbine Casing Material at Varying Temperatures

An experimental and numerical study of ballistic impacts on steel plates at various temperatures (700ºC, 400ºC and room temperature) has been carried out. The motivation for this work is the blade‐off event that may occur inside a jet engine turbine. However, as a first attempt to understand this complex loading process, a somewhat simpler approach is carried out in the present work. The material used in this study is the FV535 martensitic stainless steel, which is one of the most commonly used materials for turbine casings. Based on material test data, a Modified Johnson‐Cook (MJC) model was calibrated for numerical simulations using the LS‐DYNA explicit finite element code (see Figure 1). To check the mesh size sensitivity, 2D axisymmetric finite element models with three different mesh sizes and configurations were used for the various temperatures. Two fixed meshes with 64 and 128 elements over the 2mm thick plate and one mesh with 32 elements over the thickness with adaptive remeshing were used in the simulations. The formation of adiabatic shear bands in the perforation process has been found critical in order to achieve good results. Adiabatic shear bands are formed by the temperature rise due to the accumulation of plastic strain during impact (see Figure 2). The influence of the thermal softening in the plastic model has hence been analyzed for the room temperature impact tests, where the temperature gradient is highest

A simplified Probabilistic Safety Assesment of a Steam-Methane Reforming Hydrogen Production Plant coupled to a High-Temperature Gas Cooled Nuclear Reactor

A Probabilistic Safety Assessment (PSA) is being developed for a steam-methane reforming hydrogen production plant linked to a High-Temperature Gas Cooled Nuclear Reactor (HTGR). This work is based on the Japan Atomic Energy Research Institute’s (JAERI) High Temperature Test Reactor (HTTR) prototype in Japan. This study has two major objectives: calculate the risk to onsite and offsite individuals, and calculate the frequency of different types of damage to the complex. A simplified HAZOP study was performed to identify initiating events, based on existing studies. The initiating events presented here are methane pipe break, helium pipe break, and PPWC heat exchanger pipe break. Generic data was used for the fault tree analysis and the initiating event frequency. Saphire was used for the PSA analysis. The results show that the average frequency of an accident at this complex is 2.5E-06, which is divided into the various end states. The dominant sequences result in graphite oxidation which does not pose a health risk to the population. The dominant sequences that could affect the population are those that result in a methane explosion and occur 6.6E-8/year, while the other sequences are much less frequent. The health risk presents itself if there are people in the vicinity who could be affected by the explosion. This analysis also demonstrates that an accident in one of the plants has little effect on the other. This is true given the design base distance between the plants, the fact that the reactor is underground, as well as other safety characteristics of the HTGR. Sensitivity studies are being performed in order to determine where additional and improved data is needed.

Baremación de un test de aptitud física en sujetos de la segunda etapa de E.G.B.

Una de mis muchas preocupaciones en el campo de la enseñanza, es y será, el sistema o procedimiento de evaluación a utilizar. Las observaciones efectuadas en mi localidad (Salamanca) me llevaron a la conclusión de que en un alto porcentaje de centros escolares, los profesores, guiados por unos criterios siempre personales, calificaban a sus alumnos con métodos totalmente subjetivos. Continuando con las observaciones a nivel provincial, los hechos son más evidentes, estamos acostumbrados a administrar programas y actividades, cuya evaluación se basa en la asistencia, la victoria o la derrota, etc. En octubre de 1977, el Consejo Superior de Deportes a través de su Delegación Provincial en Salamanca, inició un Plan Experimental de Promoción Físico-Deportiva Escolar, con la participación de más de medio centenar de centros de E.G.B. correspondiente a la capital y 11 localidades de la provincia. Se me propuso la dirección del mismo y con la colaboración de otros compañeros, comenzamos a elaborar su administración. Fué entonces, cuando al abordar nuevamente el problema de la evaluación, nos propusimos en un primer intento, que fuera lo más objetiva posible, para lo cual determinamos las medidas que teníamos que efectuar de cara a la consecución de los objetivos prefijados. La falta de personas especializadas y las dudas en cuanto a la autenticidad y objetividad en la recogida de los datos, nos obligó a desestimar las muestras recogidas y a plantearnos nuevamente el problema. En septiembre de 1979, después de estudiados todos los aspectos que más nos interesaban para la buena marcha del trabajo, nos dedicamos fundamentalmente a la formación y preparación del grupo de jueces (ocho personas especializadas), al objeto de conseguir una uniformidad de criterios a la hora de la aplicación de las pruebas. La finalidad del trabajo es establecer "standars" de la población escolar de los colegios nacionales de Educación General Básica de la localidad de Salamanca, en las edades comprendidas entre los 11 y 14 años, en forma de tablas de percentiles, basados en la edad y sexo, de forma que en el futuro nos sirvan: a) Como baremo calificador, ya que - hay que establecer con justeza los niveles a alcanzar. - nos podemos fiar de la justa interpretación que se dé a las respuestas del examinando, ya que son elementos de la máxima objetividad -el cronómetro y el metro-, los que interpretan y valoran dichas respuestas. b) Como elemento básico, para las futuras planificaciones del mencionado Plan Experimental. Al valorar el conjunto de una serie de pruebas motoras, los profesores, tendrán un índice determinador, que les servirá como fundamento de trabajo a desarrollar en el futuro. c) Como estudio comparativo entre otras poblaciones. En el Capitulo I, expongo brevemente, los fundamentos teóricos sobre el estudio de la medida y evaluación de la aptitud física, pues lo considero imprescindible para un buen enfoque del trabajo en general. El Capitulo II, se refiere a la metodología empleada: determinación de la muestra, justificación de la batería de pruebas empleada, instrumentos de medida y técnicas de aplicación. Los resultados de las medidas obtenidas, los hemos elaborado estadísticamente con los siguientes criterios: 1) trabajar con datos agrupados. 2) la tabulación, la hemos realizado formando el mayor número de intervalos posible, al objeto de únicamente confeccionar una tabla de frecuencias para cada prueba en las cuatro edades. Las medidas estadísticas que hemos obtenido han sido: Medidas de tendencia central (media); Medidas de dispersión (desviación típica); Al objeto de que los resultados estén más claros, hemos realizado las gráficas de distribución de frecuencias, para cada prueba y edad. En el Capitulo IV, hacemos un análisis de los resultados obtenidos por prueba y edad, al mismo tiempo que los compara con datos correspondientes a niños de las mismas edades de muestras obtenidas en otros países.

Research on intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization under concentrated illumination

Abstract This work is a contribution to the research and development of the intermediate band solar cell (IBSC), a high efficiency photovoltaic concept that features the advantages of both low and high bandgap solar cells. The resemblance with a low bandgap solar cell comes from the fact that the IBSC hosts an electronic energy band -the intermediate band (IB)- within the semiconductor bandgap. This IB allows the collection of sub-bandgap energy photons by means of two-step photon absorption processes, from the valence band (VB) to the IB and from there to the conduction band (CB). The exploitation of these low energy photons implies a more efficient use of the solar spectrum. The resemblance of the IBSC with a high bandgap solar cell is related to the preservation of the voltage: the open-circuit voltage (VOC) of an IBSC is not limited by any of the sub-bandgaps (involving the IB), but only by the fundamental bandgap (defined from the VB to the CB). Nevertheless, the presence of the IB allows new paths for electronic recombination and the performance of the IBSC is degraded at 1 sun operation conditions. A theoretical argument is presented regarding the need for the use of concentrated illumination in order to circumvent the degradation of the voltage derived from the increase in the recombi¬nation. This theory is supported by the experimental verification carried out with our novel characterization technique consisting of the acquisition of photogenerated current (IL)-VOC pairs under low temperature and concentrated light. Besides, at this stage of the IBSC research, several new IB materials are being engineered and our novel character¬ization tool can be very useful to provide feedback on their capability to perform as real IBSCs, verifying or disregarding the fulfillment of the “voltage preservation” principle. An analytical model has also been developed to assess the potential of quantum-dot (QD)-IBSCs. It is based on the calculation of band alignment of III-V alloyed heterojunc-tions, the estimation of the confined energy levels in a QD and the calculation of the de¬tailed balance efficiency. Several potentially useful QD materials have been identified, such as InAs/AlxGa1-xAs, InAs/GaxIn1-xP, InAs1-yNy/AlAsxSb1-x or InAs1-zNz/Alx[GayIn1-y]1-xP. Finally, a model for the analysis of the series resistance of a concentrator solar cell has also been developed to design and fabricate IBSCs adapted to 1,000 suns. Resumen Este trabajo contribuye a la investigación y al desarrollo de la célula solar de banda intermedia (IBSC), un concepto fotovoltaico de alta eficiencia que auna las ventajas de una célula solar de bajo y de alto gap. La IBSC se parece a una célula solar de bajo gap (o banda prohibida) en que la IBSC alberga una banda de energía -la banda intermedia (IB)-en el seno de la banda prohibida. Esta IB permite colectar fotones de energía inferior a la banda prohibida por medio de procesos de absorción de fotones en dos pasos, de la banda de valencia (VB) a la IB y de allí a la banda de conducción (CB). El aprovechamiento de estos fotones de baja energía conlleva un empleo más eficiente del espectro solar. La semejanza antre la IBSC y una célula solar de alto gap está relacionada con la preservación del voltaje: la tensión de circuito abierto (Vbc) de una IBSC no está limitada por ninguna de las fracciones en las que la IB divide a la banda prohibida, sino que está únicamente limitada por el ancho de banda fundamental del semiconductor (definido entre VB y CB). No obstante, la presencia de la IB posibilita nuevos caminos de recombinación electrónica, lo cual degrada el rendimiento de la IBSC a 1 sol. Este trabajo argumenta de forma teórica la necesidad de emplear luz concentrada para evitar compensar el aumento de la recom¬binación de la IBSC y evitar la degradación del voltage. Lo anterior se ha verificado experimentalmente por medio de nuestra novedosa técnica de caracterización consistente en la adquisicin de pares de corriente fotogenerada (IL)-VOG en concentración y a baja temperatura. En esta etapa de la investigación, se están desarrollando nuevos materiales de IB y nuestra herramienta de caracterizacin está siendo empleada para realimentar el proceso de fabricación, comprobando si los materiales tienen capacidad para operar como verdaderas IBSCs por medio de la verificación del principio de preservación del voltaje. También se ha desarrollado un modelo analítico para evaluar el potencial de IBSCs de puntos cuánticos. Dicho modelo está basado en el cálculo del alineamiento de bandas de energía en heterouniones de aleaciones de materiales III-V, en la estimación de la energía de los niveles confinados en un QD y en el cálculo de la eficiencia de balance detallado. Este modelo ha permitido identificar varios materiales de QDs potencialmente útiles como InAs/AlxGai_xAs, InAs/GaxIni_xP, InAsi_yNy/AlAsxSbi_x ó InAsi_zNz/Alx[GayIni_y]i_xP. Finalmente, también se ha desarrollado un modelado teórico para el análisis de la resistencia serie de una célula solar de concentración. Gracias a dicho modelo se han diseñado y fabricado IBSCs adaptadas a 1.000 soles.

Código híbrido avanzado de motores de plasma de efecto Hall

La propulsión eléctrica constituye hoy una tecnología muy competitiva y de gran proyección de futuro. Dentro de los diversos motores de plasma existentes, el motor de efecto Hall ha adquirido una gran madurez y constituye un medio de propulsión idóneo para un rango amplio de misiones. En la presente Tesis se estudian los motores Hall con geometría convencional y paredes dieléctricas. La compleja interacción entre los múltiples fenómenos físicos presentes hace que sea difícil la simulación del plasma en estos motores. Los modelos híbridos son los que representan un mejor compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Se basan en utilizar un modelo fluido para los electrones y algoritmos de dinámica de partículas PIC (Particle-In- Cell) para los iones y los neutros. Permiten hacer uso de la hipótesis de cuasineutralidad del plasma, a cambio de resolver separadamente las capas límite (o vainas) que se forman en torno a las paredes de la cámara. Partiendo de un código híbrido existente, llamado HPHall-2, el objetivo de la Tesis doctoral ha sido el desarrollo de un código híbrido avanzado que mejorara la simulación de la descarga de plasma en un motor de efecto Hall. Las actualizaciones y mejoras realizadas en las diferentes partes que componen el código comprenden tanto aspectos teóricos como numéricos. Fruto de la extensa revisión de la algoritmia del código HPHall-2 se han conseguido reducir los errores de precisión un orden de magnitud, y se ha incrementado notablemente su consistencia y robustez, permitiendo la simulación del motor en un amplio rango de condiciones. Algunos aspectos relevantes a destacar en el subcódigo de partículas son: la implementación de un nuevo algoritmo de pesado que permite determinar de forma más precisa el flujo de las magnitudes del plasma; la implementación de un nuevo algoritmo de control de población, que permite tener suficiente número de partículas cerca de las paredes de la cámara, donde los gradientes son mayores y las condiciones de cálculo son más críticas; las mejoras en los balances de masa y energía; y un mejor cálculo del campo eléctrico en una malla no uniforme. Merece especial atención el cumplimiento de la condición de Bohm en el borde de vaina, que en los códigos híbridos representa una condición de contorno necesaria para obtener una solución consistente con el modelo de interacción plasma-pared, y que en HPHall-2 aún no se había resuelto satisfactoriamente. En esta Tesis se ha implementado el criterio cinético de Bohm para una población de iones con diferentes cargas eléctricas y una gran dispersión de velocidades. En el código, el cumplimiento de la condición cinética de Bohm se consigue por medio de un algoritmo que introduce una fina capa de aceleración nocolisional adyacente a la vaina y mide adecuadamente el flujo de partículas en el espacio y en el tiempo. Las mejoras realizadas en el subcódigo de electrones incrementan la capacidad de simulación del código, especialmente en la región aguas abajo del motor, donde se simula la neutralización del chorro del plasma por medio de un modelo de cátodo volumétrico. Sin abordar el estudio detallado de la turbulencia del plasma, se implementan modelos sencillos de ajuste de la difusión anómala de Bohm, que permiten reproducir los valores experimentales del potencial y la temperatura del plasma, así como la corriente de descarga del motor. En cuanto a los aspectos teóricos, se hace especial énfasis en la interacción plasma-pared y en la dinámica de los electrones secundarios libres en el interior del plasma, cuestiones que representan hoy en día problemas abiertos en la simulación de los motores Hall. Los nuevos modelos desarrollados buscan una imagen más fiel a la realidad. Así, se implementa el modelo de vaina de termalización parcial, que considera una función de distribución no-Maxwelliana para los electrones primarios y contabiliza unas pérdidas energéticas más cercanas a la realidad. Respecto a los electrones secundarios, se realiza un estudio cinético simplificado para evaluar su grado de confinamiento en el plasma, y mediante un modelo fluido en el límite no-colisional, se determinan las densidades y energías de los electrones secundarios libres, así como su posible efecto en la ionización. El resultado obtenido muestra que los electrones secundarios se pierden en las paredes rápidamente, por lo que su efecto en el plasma es despreciable, no así en las vainas, donde determinan el salto de potencial. Por último, el trabajo teórico y de simulación numérica se complementa con el trabajo experimental realizado en el Pnnceton Plasma Physics Laboratory, en el que se analiza el interesante transitorio inicial que experimenta el motor en el proceso de arranque. Del estudio se extrae que la presencia de gases residuales adheridos a las paredes juegan un papel relevante, y se recomienda, en general, la purga completa del motor antes del modo normal de operación. El resultado final de la investigación muestra que el código híbrido desarrollado representa una buena herramienta de simulación de un motor Hall. Reproduce adecuadamente la física del motor, proporcionando resultados similares a los experimentales, y demuestra ser un buen laboratorio numérico para estudiar el plasma en el interior del motor. Abstract Electric propulsion is today a very competitive technology and has a great projection into the future. Among the various existing plasma thrusters, the Hall effect thruster has acquired a considerable maturity and constitutes an ideal means of propulsion for a wide range of missions. In the present Thesis only Hall thrusters with conventional geometry and dielectric walls are studied. The complex interaction between multiple physical phenomena makes difficult the plasma simulation in these engines. Hybrid models are those representing a better compromise between precision and computational cost. They use a fluid model for electrons and Particle-In-Cell (PIC) algorithms for ions and neutrals. The hypothesis of plasma quasineutrality is invoked, which requires to solve separately the sheaths formed around the chamber walls. On the basis of an existing hybrid code, called HPHall-2, the aim of this doctoral Thesis is to develop an advanced hybrid code that better simulates the plasma discharge in a Hall effect thruster. Updates and improvements of the code include both theoretical and numerical issues. The extensive revision of the algorithms has succeeded in reducing the accuracy errors in one order of magnitude, and the consistency and robustness of the code have been notably increased, allowing the simulation of the thruster in a wide range of conditions. The most relevant achievements related to the particle subcode are: the implementation of a new weighing algorithm that determines more accurately the plasma flux magnitudes; the implementation of a new algorithm to control the particle population, assuring enough number of particles near the chamber walls, where there are strong gradients and the conditions to perform good computations are more critical; improvements in the mass and energy balances; and a new algorithm to compute the electric field in a non-uniform mesh. It deserves special attention the fulfilment of the Bohm condition at the edge of the sheath, which represents a boundary condition necessary to match consistently the hybrid code solution with the plasma-wall interaction, and remained as a question unsatisfactory solved in the HPHall-2 code. In this Thesis, the kinetic Bohm criterion has been implemented for an ion particle population with different electric charges and a large dispersion in their velocities. In the code, the fulfilment of the kinetic Bohm condition is accomplished by an algorithm that introduces a thin non-collisional layer next to the sheaths, producing the ion acceleration, and measures properly the flux of particles in time and space. The improvements made in the electron subcode increase the code simulation capabilities, specially in the region downstream of the thruster, where the neutralization of the plasma jet is simulated using a volumetric cathode model. Without addressing the detailed study of the plasma turbulence, simple models for a parametric adjustment of the anomalous Bohm difussion are implemented in the code. They allow to reproduce the experimental values of the plasma potential and the electron temperature, as well as the discharge current of the thruster. Regarding the theoretical issues, special emphasis has been made in the plasma-wall interaction of the thruster and in the dynamics of free secondary electrons within the plasma, questions that still remain unsolved in the simulation of Hall thrusters. The new developed models look for results closer to reality, such as the partial thermalization sheath model, that assumes a non-Maxwellian distribution functions for primary electrons, and better computes the energy losses at the walls. The evaluation of secondary electrons confinement within the chamber is addressed by a simplified kinetic study; and using a collisionless fluid model, the densities and energies of free secondary electrons are computed, as well as their effect on the plasma ionization. Simulations show that secondary electrons are quickly lost at walls, with a negligible effect in the bulk of the plasma, but they determine the potential fall at sheaths. Finally, numerical simulation and theoretical work is complemented by the experimental work carried out at the Princeton Plasma Physics Laboratory, devoted to analyze the interesting transitional regime experienced by the thruster in the startup process. It is concluded that the gas impurities adhered to the thruster walls play a relevant role in the transitional regime and, as a general recomendation, a complete purge of the thruster before starting its normal mode of operation it is suggested. The final result of the research conducted in this Thesis shows that the developed code represents a good tool for the simulation of Hall thrusters. The code reproduces properly the physics of the thruster, with results similar to the experimental ones, and represents a good numerical laboratory to study the plasma inside the thruster.

Numerical and Experimental Studies of Sail Aerodynamics

The purpose of this investigation was the determination of the aerodynamic performance of sails and gain knowledge of the phenomena involved in order to improve the aerody¬namic characteristics. In this research, the airflow around different sails in four scenarios was studied. The method to analyze these scenarios was the combination of numerical simulations and experimental tests by taking advantage of the best of each tool. Two different Com¬putational Fluid Dynamic codes were utilized: the ANSYS-CFX and the CD-Adapco’s STAR-CCM+. The experimental tests were conducted in the Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel at the Universidad de Granada (Spain), the Twisted Flow Wind Tunnel at the University of Auckland (New Zealand) and the A9 Wind Tunnel at the Universidad Polit´ecnica de Madrid (Spain). Through this research, it was found the three-dimensional effect of the mast on the aerodynamic performance of an IMS Class boat. The pressure distribution on a Transpac 52 Class mainsail was also determined. Moreover, the aerodynamic perfor¬mance of the 43ft and 60ft Dhow Classes was obtained. Finally, a feasibility study was conducted to use a structural wing in combination with conventional propulsions systems. The main conclusion was that this research clarified gaps on the knowledge of the aerodynamic performance of sails. Moreover, since commercial codes were not specifically designed to study sails, a procedure was developed. On the other hand, innovative experimental techniques were used and applied to model-scale sails. The achievements of this thesis are promising and some of the results are already in use by the industry on a daily basis. El propósito de este estudio era determinar el comportamiento aerodinámico de unas velas y mejorar el conocimiento de los fenómenos que suceden para optimizar las características aerodinámicas de dichas velas. En esta investigación se estudió el flujo de aire alrededor de diferentes velas en cuatro escenarios. El método para analizar estos escenarios fue la combinación de simulaciones numéricas y ensayos experimentales mediante el aprovechamiento de las ventajas de cada herramienta. Se utilizaron dos códigos de dinámica de fluidos computacional: el ANSYS-CFX y el STAR-CCM+ de la empresa CD-Adapco. Los ensayos experimentales se desarrollaron en el túnel de viento de capa límite de la Universidad de Granada (España), el túnel de viento de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda) y en el túnel A9 de la Universidad Politécnica de Madrid (España). Mediante esta investigación, se determinó el efecto tridimensional del mástil en un velero de la clase IMS. También se describió la distribución de presiones sobre una mayor de un Transpac 52. Además, se obtuvo el comportamiento aerodinámico de las clases 43ft y 60ft de los veleros Dhows. Finalmente, se llevó a cabo un estudio de viabilidad de la utilización de un ala estructural en combinación con sistemas de propulsión convencionales. La conclusión principal de esta investigación fue la capacidad de explicar ciertas lagunas en el conocimiento del comportamiento aerodinámico de las velas en diferentes escenarios. Además, dado que los códigos comerciales no están específicamente diseñados para el estudio de velas, se desarrolló un procedimiento a tal efecto. Por otro lado, se han utilizado innovadoras técnicas experimentales y se han aplicado a modelos de velas a escala. Los logros de esta investigación son prometedores y algunos de los resultados obtenidos ya están siendo utilizados por la industria en su día a día.

Biostimulation methods associated with early weaning and reproductive rhythms in primiparous rabbit does

El objetivo general de esta Tesis Doctoral ha sido tratar de mejorar los parámetros reproductivos de las conejas primíparas lactantes, empleando dos métodos de manejo (destete temprano y extensificación del ritmo reproductivo), que están directamente relacionados con su balance energético. Para ello, se diseñaron 2 experimentos en este tipo de hembras. En el primero, se estudió el efecto del destete a 25 días post-parto (dpp) sobre la actividad ovárica y el metabolismo energético de las conejas una semana más tarde (32 dpp). Un total de 34 primíparas lactantes con 8 gazapos fueron distribuidas en tres grupos: 10 conejas se sacrificaron a los 25 dpp (grupo L25), 13 fueron destetadas a los 25 dpp y sacrificadas a los 32 dpp (grupo NL32), y 11 conejas no se destetaron y fueron sacrificadas a los 32 dpp (grupo L32). No se observaron diferencias significativas entre grupos en el peso corporal, el peso del ovario, ni en las concentraciones séricas de ácidos grasos no esterificados y de proteínas totales. A pesar de que el grupo NL32 presentó un bajo consumo de alimento (122 ± 23,5 g / día, p <0,001), su contenido corporal estimado de lípidos (16,9 ± 1,09%, P <0,008), proteínas (19,7 ± 0,07%, P <0,0001), y energía (1147 ± 42,7 MJ / kg, p <0,006) fueron más elevados y las concentraciones séricas de glucosa (158 ± 24,5 mg/dl, p <0,04) más bajas que en los grupos L25 (11,9 ± 1,3%, 18,5 ± 0,08%, 942 ± 51,3 MJ/kg y 212 ± 27,9 mg/dl) y L32 (13,4 ± 1,03%, 18,5 ± 0,1%, 993 ± 40,4 MJ/kg y 259 ± 29,5 mg/dl), respectivamente. En el grupo L25 se observó un menor número medio de folículos ≥ 1 mm en la superficie ovárica en comparación con los grupos NL32 y L32 (12,7 ± 1,5 vs. 18,0 ± 1,45 y 17,6 ± 1,67, p <0,05). La población folicular ovárica en las secciones histológicas y la inmunolocalización de los receptores de prolactina fueron similares en todos los grupos. En el grupo L25, tanto la maduración nuclear de oocitos, medida en términos de tasas alcanzadas de Metafase II (67,0 vs. 79,7 y 78,3%, P <0.05) y la maduración citoplasmática, medida por el porcentaje de gránulos corticales (GC) total o parcialmente migrados en los oocitos, fueron significativamente menores que en los grupos NL32 y L32 (16,0 vs 38,3 y 60,0%, P <0.05). En conclusión, a pesar de que el destete precoz a 25 dpp pareció mejorar las reservas de energía de las conejas primíparas, este hecho no se reflejó claramente a nivel ovárico a los 32 dpp y fue similar independientemente del destete, por lo que éste último podría llevarse a cabo más tarde. En el segundo experimento, se compararon dos ritmos reproductivos. Se utilizaron un total de 48 conejas primíparas lactantes con 8 gazapos que se asignaron al azar en dos grupos experimentales: a) lactantes sacrificadas a comienzos del post-parto (11 dpp) de acuerdo a un ritmo semi-intensivo (n = 24), y b) lactantes sacrificadas al final del período post-parto (25 dpp) de acuerdo con un ritmo más extensivo (n = 24). En ellas, se estudió el peso vivo, la composición corporal estimada, parámetros metabólicos y endocrinos (estradiol y progesterona) y características ováricas como la población folicular y la tasa de atresia, así como la maduración nuclear y citoplásmica de los oocitos. En este estudio, el peso vivo, el contenido de energía corporal, los depósitos grasos y los ácidos grasos no esterificados disminuyeron a lo largo del post-parto con respecto al momento del parto (P <0,05). Las concentraciones séricas de proteínas y glucosa aumentaron en el mismo periodo post-parto (P <0,05). Se observaron similares niveles de estradiol y progesterona en ambos ritmos, así como una población folicular, tasas de maduración nuclear (tasa de oocitos en metafase II) y citoplasmática (porcentaje de oocitos con gránulos corticales migrados), similares en ambos momentos del post-parto. Sin embargo, el número de folículos preovulatorios en la superficie ovárica fue menor (P <0,05) y la tasa de atresia tendió a ser mayor con un porcentaje también menor de folículos sanos (P <0,1) en los ovarios de las hembras sometidas al ritmo extensivo. En conclusión, al final del post-parto (25 días), las conejas primíparas sin destetar muestran un deterioro de sus reservas corporales, de sus parámetros metabólicos séricos y de la calidad de sus oocitos; incluso se ha observado una ligera influencia negativa en el desarrollo de sus folículos ováricos. Por esta razón, se considera que en las conejas primíparas lactantes el manejo reproductivo extensivo (25 dpp) no presenta ninguna ventaja en comparación con el semi-intensivo (11 dpp). A la vista de los resultados de estos dos experimentos, podemos decir que ni el destete temprano, ni la extensificación del ritmo reproductivo han conseguido una mejora en los parámetros reproductivos de una hembra primípara. Por ello, son necesarios más estudios sobre el estado metabólico de la coneja primípara lactante para conseguir métodos o estrategias que lo mejoren y tengan consecuencias directas sobre la actividad reproductiva y sobre su éxito productivo. The general aim of this Thesis was to study two management methods (early weaning and extensive reproductive rhythm) linked to the energy balance of the primiparous rabbit does to improve their reproductive performance. In this sense, 2 experiments were conducted using this kind of females. In the first experiment, the effect of weaning at 25 days post-partum (dpp) on ovarian activity and energetic metabolism one week later (32 dpp) was studied. A total of 34 primiparous lactating rabbit does were used and distributed among three groups: 10 does euthanized at 25 dpp (group L25), 13 does weaned at 25 dpp and euthanized at 32 dpp (group NL32), and 11 non weaned does euthanized at 32 dpp (group L32). No significant differences were observed in live body weight, ovary weight, serum non esterified fatty acids (NEFA) and total protein concentration among groups. Although NL32 does had a low feed intake (122±23.5 g/Day; P < 0.001), their estimated lipids (16.9±1.09%, P < 0.008), protein (19.7±0.07%, P < 0.0001), and energy (1147±42.7 MJ/kg, P < 0.006) body contents were higher and their serum glucose concentrations (158±24.5 mg/dl, P < 0.04) were lower compared to L25 does (11.9±1.3%, 18.5±0.08%, 942±51.3 MJ/kg and 212±27.9 mg/dl) and L32 does (13.4±1.03%, 18.5±0.1%, 993±40.4 MJ/kg and 259±29.5 mg/dl, respectively). A lower number of follicles ≥1mm was observed compared to NL32 and L32 groups (12.7±1.5 vs. 18.0±1.45 and 17.6 ±1.67; P < 0.05) in the ovarian surface of L25 does. Follicular population in the histological ovarian sections and immunolocalization of prolactin receptor were similar in all groups. In group L25, both nuclear maturation of oocytes in terms of Metaphase II rate (67.0 vs. 79.7 and 78.3%; P < 0.05) and cytoplasmic maturation measured by percentage of cortical granules (CG), totally or partially migrated in oocytes were significantly lower than in groups NL32 and L32 (16.0 vs. 38.3 and 60.0%; P < 0.05). Consequently, a higher rate of oocytes with non-migrated CGs was found in group L25 than in groups NL32 and L32 (76.0 vs. 46.8 and 33.3%; P < 0.05). In conclusion, even though early weaning at 25 dpp seemed to improve body energy stored in primiparous does, this fact was not well reflected on the ovarian status at 32 dpp, which was similar regardless of weaning time. In the second experiment, two reproductive rhythms were compared. A total of 48 primiparous Californian x New Zealand White rabbit does suckling 8 kits were randomly allocated in two experimental groups: a) lactating does euthanized at early post-partum period (11 dpp) according to a semi-intensive rhythm (n = 24), and b) lactating does euthanized on later post-partum period (25 dpp) according to a more extensive rhythm (n = 24). Live weight, estimated body composition, serum metabolic and endocrine parameters (oestradiol and progesterone concentrations) and ovarian features like follicle population and atresia rate, and oocyte maturation were studied. Live weight, body energy content, lipid depots and serum non esterified fatty acids (NEFA) concentrations diminished from parturition time to post-partum period (P < 0.05). In addition, serum protein and glucose concentrations increased along postpartum time (P < 0.05). Similar oestradiol and progesterone levels were shown in rhythms as well as similar follicle population and nuclear and cytoplasmic maturation rates measured as metaphase II and cortical granule migration, respectively in both postpartum times. However, number of preovulatory follicles on the ovarian surface was lower (P < 0.05) and atresia rate tended to be higher with also lower percentage of healthy follicles (P < 0.1) in ovaries of females of extensive group. In conclusion, primiparous non-weaned rabbits does at late post-partum time (25 days), Did no show any improvement regarding body reserves, serum metabolic parameters and oocyte quality; even a slight negative influence has been observed in the development of their ovarian follicles. Thus this reproductive management does not present any advantage compared to earlier post-partum (11 days) reproductive rhythm. In summary, according to the obtained results from these two experiments, we can say that the application of early weaning and the extensive rhythms did not achieve an improvement in the reproductive performance of primiparous does. Thus, it is necessary to conduct more studies about the metabolic status of the primiparous lactating doe to achieve strategies in order to improve it and consequently, to improve the reproductive activity and their productive success.