Numerical characterization of particle dispersion in the turbulent recirculation zones of sudden expansion pipe flows

The dispersion of solid particles in the turbulent recirculation zones of sudden expansion pipes can be characterized by different Stokes numbers and mean drift parameter and its study is important because this kind of flows appears in many technological applications.

Efficient adaptive methods based on adjoint equations and truncation error estimation for unstructured grids

El prop��sito de esta tesis es la implementaci��n de m��todos eficientes de adaptaci��n de mallas basados en ecuaciones adjuntas en el marco de discretizaciones de vol��menes finitos para mallas no estructuradas. La metodolog��a basada en ecuaciones adjuntas optimiza la malla refin��ndola adecuadamente con el objetivo de mejorar la precisi��n de c��lculo de un funcional de salida dado. El funcional suele ser una magnitud escalar de inter��s ingenieril obtenida por post-proceso de la soluci��n, como por ejemplo, la resistencia o la sustentaci��n aerodin��mica. Usualmente, el m��todo de adaptaci��n adjunta est�� basado en una estimaci��n a posteriori del error del funcional de salida mediante un promediado del residuo num��rico con las variables adjuntas, ���Dual Weighted Residual method��� (DWR). Estas variables se obtienen de la soluci��n del problema adjunto para el funcional seleccionado. El procedimiento habitual para introducir este m��todo en c��digos basados en discretizaciones de vol��menes finitos involucra la utilizaci��n de una malla auxiliar embebida obtenida por refinamiento uniforme de la malla inicial. El uso de esta malla implica un aumento significativo de los recursos computacionales (por ejemplo, en casos 3D el aumento de memoria requerida respecto a la que necesita el problema fluido inicial puede llegar a ser de un orden de magnitud). En esta tesis se propone un m��todo alternativo basado en reformular la estimaci��n del error del funcional en una malla auxiliar m��s basta y utilizar una t��cnica de estimaci��n del error de truncaci��n, denominada _ -estimation, para estimar los residuos que intervienen en el m��todo DWR. Utilizando esta estimaci��n del error se dise��a un algoritmo de adaptaci��n de mallas que conserva los ingredientes b��sicos de la adaptaci��n adjunta est��ndar pero con un coste computacional asociado sensiblemente menor. La metodolog��a de adaptaci��n adjunta est��ndar y la propuesta en la tesis han sido introducidas en un c��digo de vol��menes finitos utilizado habitualmente en la industria aeron��utica Europea. Se ha investigado la influencia de distintos par��metros num��ricos que intervienen en el algoritmo. Finalmente, el m��todo propuesto se compara con otras metodolog��as de adaptaci��n de mallas y su eficiencia computacional se demuestra en una serie de casos representativos de inter��s aeron��utico. ABSTRACT The purpose of this thesis is the implementation of efficient grid adaptation methods based on the adjoint equations within the framework of finite volume methods (FVM) for unstructured grid solvers. The adjoint-based methodology aims at adapting grids to improve the accuracy of a functional output of interest, as for example, the aerodynamic drag or lift. The adjoint methodology is based on the a posteriori functional error estimation using the adjoint/dual-weighted residual method (DWR). In this method the error in a functional output can be directly related to local residual errors of the primal solution through the adjoint variables. These variables are obtained by solving the corresponding adjoint problem for the chosen functional. The common approach to introduce the DWR method within the FVM framework involves the use of an auxiliary embedded grid. The storage of this mesh demands high computational resources, i.e. over one order of magnitude increase in memory relative to the initial problem for 3D cases. In this thesis, an alternative methodology for adapting the grid is proposed. Specifically, the DWR approach for error estimation is re-formulated on a coarser mesh level using the _ -estimation method to approximate the truncation error. Then, an output-based adaptive algorithm is designed in such way that the basic ingredients of the standard adjoint method are retained but the computational cost is significantly reduced. The standard and the new proposed adjoint-based adaptive methodologies have been incorporated into a flow solver commonly used in the EU aeronautical industry. The influence of different numerical settings has been investigated. The proposed method has been compared against different grid adaptation approaches and the computational efficiency of the new method has been demonstrated on some representative aeronautical test cases.

An��lisis de micromovilidad en v��stagos femorales mediante ensayo din��mico de oscilaciones libres

La artroplastia de cadera se considera uno de los mayores avances quir��rgicos de la Medicina. La aplicaci��n de esta t��cnica de Traumatolog��a se ha incrementado notablemente en los ��ltimos anos, a causa principalmente del progresivo incremento de la esperanza de vida. En efecto, con la edad aumentan los problemas de artrosis y osteoporosis, enfermedades t��picas de las articulaciones y de los huesos que requieren en muchos casos la sustituci��n prot��sica total o parcial de la articulaci��n. El buen comportamiento funcional de una pr��tesis depende en gran medida de la estabilidad primaria, es decir, el correcto anclaje de la pr��tesis en el momento de su implantaci��n. Las pr��tesis no cementadas basan su ��xito a largo plazo en la osteointegraci��n que tiene lugar entre el material prot��sico y el tejido ��seo, y para lograrla es imprescindible conseguir unas buenas condiciones de estabilidad primaria. El aflojamiento as��ptico es la principal causa de fallo de artroplastia total de cadera. Este es un fen��meno en el que, debido a complejas interacciones de factores mec��nicos y biol��gicos, se producen movimientos relativos que comprometen la funcionalidad del implante. La minimizaci��n de los correspondientes danos depende en gran medida de la detecci��n precoz del aflojamiento. Para lograr la detecci��n temprana del aflojamiento as��ptico del v��stago femoral se han ensayado diferentes t��cnicas, tanto in vivo como in vitro: an��lisis num��ricos y t��cnicas experimentales basadas en sensores de movimientos provocados por cargas transmitidas natural o artificialmente, tales como impactos o vibraciones de distintas frecuencias. Los montajes y procedimientos aplicados son heterog��neos y, en muchas ocasiones, complejos y costosos, no existiendo acuerdo sobre una t��cnica simple y eficaz de aplicaci��n general. Asimismo, en la normativa vigente que regula las condiciones que debe cumplir una pr��tesis previamente a su comercializaci��n, no hay ning��n apartado referido espec��ficamente a la evaluaci��n de la bondad del dise��o del v��stago femoral con respecto a la estabilidad primaria. El objetivo de esta tesis es desarrollar una metodolog��a para el an��lisis, in vitro, de la estabilidad de un v��stago femoral implantado, a fin de poder evaluar las t��cnicas de implantaci��n y los diferentes dise��os de pr��tesis previamente a su oferta en el mercado. Adem��s se plantea como requisito fundamental que el m��todo desarrollado sea sencillo, reversible, repetible, no destructivo, con control riguroso de par��metros (condiciones de contorno de cargas y desplazamientos) y con un sistema de registro e interpretaci��n de resultados r��pido, fiable y asequible. Como paso previo, se ha realizado un an��lisis cualitativo del problema de contacto en la interfaz hueso-v��stago aplicando una t��cnica optomec��nica del campo continuo (fotoelasticidad). Para ello se han fabricado tres modelos en 2D del conjunto hueso-v��stago, simulando tres tipos de contactos en la interfaz: contacto sin adherencia y con holgura, contacto sin adherencia y sin holgura, y contacto con adherencia y homog��neo. Aplicando la misma carga a cada modelo, y empleando la t��cnica de congelaci��n de tensiones, se han visualizado los correspondientes estados tensionales, siendo estos m��s severos en el modelo de uni��n sin adherencia, como cab��a esperar. En todo caso, los resultados son ilustrativos de la complejidad del problema de contacto y confirman la conveniencia y necesidad de la v��a experimental para el estudio del problema. Seguidamente se ha planteado un ensayo din��mico de oscilaciones libres con instrumentaci��n de sensores resistivos tipo galga extensom��trica. Las muestras de ensayo han sido huesos f��mur en todas sus posibles variantes: modelos simplificados, hueso sint��tico normalizado y hueso de cad��ver, seco y fresco. Se ha dise��ado un sistema de empotramiento del extremo distal de la muestra (f��mur) con control riguroso de las condiciones de anclaje. La oscilaci��n libre de la muestra se ha obtenido mediante la liberaci��n instant��nea de una carga est��tica determinada y aplicada previamente, bien con una maquina de ensayo o bien por gravedad. Cada muestra se ha instrumentado con galgas extensom��tricas convencionales cuya se��al se ha registrado con un equipo din��mico comercial. Se ha aplicado un procedimiento de tratamiento de se��al para acotar, filtrar y presentar las respuestas de los sensores en el dominio del tiempo y de la frecuencia. La interpretaci��n de resultados es de tipo comparativo: se aplica el ensayo a una muestra de f��mur Intacto que se toma de referencia, y a continuaci��n se repite el ensayo sobre la misma muestra con una pr��tesis implantada; la comparaci��n de resultados permite establecer conclusiones inmediatas sobre los efectos de la implantaci��n de la pr��tesis. La implantaci��n ha sido realizada por un cirujano traumat��logo utilizando las mismas t��cnicas e instrumental empleadas en el quir��fano durante la pr��ctica cl��nica real, y se ha trabajado con tres v��stagos femorales comerciales. Con los resultados en el dominio del tiempo y de la frecuencia de las distintas aplicaciones se han establecido conclusiones sobre los siguientes aspectos: Viabilidad de los distintos tipos de muestras sint��ticas: modelos simplificados y f��mur sint��tico normalizado. ������Repetibilidad, linealidad y reversibilidad del ensayo. ������Congruencia de resultados con los valores te��ricos deducidos de la teor��a de oscilaciones libres de barras. ������Efectos de la implantaci��n de tallos femorales en la amplitud de las oscilaciones, amortiguamiento y frecuencias de oscilaci��n. ������Detecci��n de arm��nicos asociados a la micromovilidad. La metodolog��a se ha demostrado apta para ser incorporada a la normativa de pr��tesis, es de aplicaci��n universal y abre v��as para el an��lisis de la detecci��n y caracterizaci��n de la micromovilidad de una pr��tesis frente a las cargas de servicio. ABSTRACT Total hip arthroplasty is considered as one of the greatest surgical advances in medicine. The application of this technique on Traumatology has increased significantly in recent years, mainly due to the progressive increase in life expectancy. In fact, advanced age increases osteoarthritis and osteoporosis problems, which are typical diseases of joints and bones, and in many cases require full or partial prosthetic replacement on the joint. Right functional behavior of prosthesis is highly dependent on the primary stability; this means it depends on the correct anchoring of the prosthesis at the time of implantation. Uncemented prosthesis base their long-term success on the quality of osseointegration that takes place between the prosthetic material and bone tissue, and to achieve this good primary stability conditions is mandatory. Aseptic loosening is the main cause of failure in total hip arthroplasty. This is a phenomenon in which relative movements occur, due to complex interactions of mechanical and biological factors, and these micromovements put the implant functionality at risk. To minimize possible damage, it greatly depends on the early detection of loosening. For this purpose, various techniques have been tested both in vivo and in vitro: numerical analysis and experimental techniques based on sensors for movements caused by naturally or artificially transmitted loads, such as impacts or vibrations at different frequencies. The assemblies and methods applied are heterogeneous and, in many cases, they are complex and expensive, with no agreement on the use of a simple and effective technique for general purposes. Likewise, in current regulations for governing the conditions to be fulfilled by the prosthesis before going to market, there is no specific section related to the evaluation of the femoral stem design in relation to primary stability. The aim of this thesis is to develop a in vitro methodology for analyzing the stability of an implanted femoral stem, in order to assess the implantation techniques and the different prosthesis designs prior to its offer in the market. We also propose as a fundamental requirement that the developed testing method should be simple, reversible, repeatable, non-destructive, with close monitoring of parameters (boundary conditions of loads and displacements) and with the availability of a register system to record and interpret results in a fast, reliable and affordable manner. As a preliminary step, we have performed a qualitative analysis of the contact problems in the bone-stem interface, through the application of a continuous field optomechanical technique (photoelasticity). For this proposal three 2D models of bone���stem set, has been built simulating three interface contact types: loosened an unbounded contact, unbounded and fixed contact, and bounded homogeneous contact. By means of applying the same load to each model, and using the stress freezing technique, it has displayed the corresponding stress states, being more severe as expected, in the unbounded union model. In any case, the results clearly show the complexity of the interface contact problem, and they confirm the need for experimental studies about this problem. Afterward a free oscillation dynamic test has been done using resistive strain gauge sensors. Test samples have been femur bones in all possible variants: simplified models, standardized synthetic bone, and dry and cool cadaveric bones. An embedding system at the distal end of the sample with strong control of the anchoring conditions has been designed. The free oscillation of the sample has been obtained by the instantaneous release of a static load, which was previously determined and applied to the sample through a testing machine or using the gravity force. Each sample was equipped with conventional strain gauges whose signal is registered with a marketed dynamic equipment. Then, it has applied a signal processing procedure to delimit, filter and present the time and frequency response signals from the sensors. Results are interpreted by comparing different trials: the test is applied to an intact femur sample which is taken as a reference, and then this test is repeated over the same sample with an implanted prosthesis. From comparison between results, immediate conclusions about the effects of the implantation of the prosthesis can be obtained. It must be said that the implementation has been made by an expert orthopedic surgeon using the same techniques and instruments as those used in clinical surgery. He has worked with three commercial femoral stems. From the results obtained in the time and frequency domains for the different applications the following conclusions have been established: ������Feasibility of the different types of synthetic samples: simplified models and standardized synthetic femur. ������Repeatability, linearity and reversibility of the testing method. ������Consistency of results with theoretical values deduced from the bars free oscillations theory. ������Effects of introduction of femoral stems in the amplitude, damping and frequencies of oscillations ������Detection of micromobility associated harmonics. This methodology has been proved suitable to be included in the standardization process of arthroplasty prosthesis, it is universally applicable and it allows establishing new methods for the analysis, detection and characterization of prosthesis micromobility due to functional loads.

Modelizaci��n de reacciones qu��micas en presencia de un campo electromagn��tico variable

En esta tesis se aborda el estudio del proceso de isomerizaci��n del sistema molecular LiNC/LiCN tanto aislado como en presencia de un pulso l��ser aplicando la teor��a del estado de transici��n (TST). Esta teor��a tiene como pilar fundamental el hecho de que el conocimiento de la din��mica en las proximidades de un punto de silla de la superficie de energ��a potencial permite determinar los par��metros cin��ticos de la reacci��n objeto de estudio. Hist��ricamente, existen dos formulaciones de la teor��a del estado de transici��n, la versi��n termodin��mica de Eyring (Eyr38) y la visi��n din��mica de Wigner (Wig38). ��sta ��ltima ha sufrido recientemente un amplio desarrollo, paralelo a los avances en sistemas din��micos que ha dado lugar a una formulaci��n geom��trica en el espacio de fases que sirve como base al trabajo desarrollado en esta tesis. Nos hemos centrado en abordar el problema desde una visi��n fundamentalmente pr��ctica, ya que la teor��a del estado de transici��n presenta una desventaja: su elevado coste computacional y de tiempo de c��lculo. Dos han sido los principales objetivos de este trabajo. El primero de ellos ha sido sentar las bases te��ricas y computacionales de un algoritmo eficiente que permita obtener las magnitudes fundamentales de la TST. As��, hemos adaptado con ��xito un algoritmo computacional desarrollado en el ��mbito de la mec��nica celeste (Jor99), obteniendo un m��todo r��pido y eficiente para la obtenci��n de los objetos geom��tricos que rigen la din��mica en el espacio de fases y que ha permitido calcular magnitudes cin��ticas tales como el flujo reactivo, la densidad de estados de reactivos y productos y en ��ltima instancia la constante de velocidad. Dichos c��lculos han sido comparados con resultados estad��sticos (presentados en (M��l07)) lo cual nos ha permitido demostrar la eficacia del m��todo empleado. El segundo objetivo de esta tesis, ha sido la evaluaci��n de la influencia de los par��metros de un pulso electromagn��tico sobre la din��mica de reacci��n. Para ello se ha generalizado la metodolog��a de obtenci��n de la forma normal del hamiltoniano cuando el sistema qu��mico es alterado mediante una perturbaci��n temporal peri��dica. En este caso el punto fijo inestable en cuya vecindad se calculan los objetos geom��tricos de inter��s para la aplicaci��n de la TST, se transforma en una ��rbita peri��dica del mismo periodo que la perturbaci��n. Esto ha permitido la simulaci��n de la reactividad en presencia de un pulso l��ser. Conocer el efecto de esta perturbaci��n posibilita el control de la reactividad qu��mica. Adem��s de obtener los objetos geom��tricos que rigen la din��mica en una cierta vecindad de la ��rbita peri��dica y que son la clave de la TST, se ha estudiado el efecto de los par��metros del pulso sobre la reactividad en el espacio de fases global as�� como sobre el flujo reactivo que atraviesa la superficie divisoria que separa reactivos de productos. As��, se ha puesto de manifiesto, que la amplitud del pulso es el par��metro m��s influyente sobre la reactividad qu��mica, pudiendo producir la aparici��n de flujos reactivos a energ��as inferiores a las de aparici��n del sistema aislado y el aumento del flujo reactivo a valores constantes de energ��a inicial. ABSTRACT We have studied the isomerization reaction LiNC/LiCN isolated and perturbed by a laser pulse. Transition State theory (TST) is the main tool we have used. The basis of this theory is knowing the dynamics close to a fixed point of the potential energy surface. It is possible to calculate kinetic magnitudes by knowing the dynamics in a neighbourhood of the fixed point. TST was first formulated in the 30's and there were 2 points of view, one thermodynamical by Eyring (Eyr38) and another dynamical one by Wigner (Wig38). The latter one has grown lately due to the growth of the dynamical systems leading to a geometrical view of the TST. This is the basis of the work shown in this thesis. As the TST has one main handicap: the high computational cost, one of the main goals of this work is to find an efficient method. We have adapted a methodology developed in the field of celestial mechanics (Jor99). The result: an efficient, fast and accurate algorithm that allows us to obtain the geometric objects that lead the dynamics close to the fixed point. Flux across the dividing surface, density of states and reaction rate coefficient have been calculated and compared with previous statistical results, (M��l07), leading to the conclusion that the method is accurate and good enough. We have widen the methodology to include a time dependent perturbation. If the perturbation is periodic in time, the fixed point becomes a periodic orbit whose period is the same as the period of the perturbation. This way we have been able to simulate the isomerization reaction when the system has been perturbed by a laser pulse. By knowing the effect of that perturbation we will be able to control the chemical reactivity. We have also studied the effect of the parameters on the global phase space dynamics and on the flux across the dividing surface. It has been prove that amplitude is the most influent parameter on the reaction dynamics. Increasing amplitude leads to greater fluxes and to some flux at energies it would not if the systems would not have been perturbed.

A method to obtain the thermal parameters and the photothermal transduction efficiency in an optical hyperthermia device based on laser irradiation of gold nanoparticles

Optical hyperthermia systems based on the laser irradiation of gold nanorods seem to be a promising tool in the development of therapies against cancer. After a proof of concept in which the authors demonstrated the efficiency of this kind of systems, a modeling process based on an equivalent thermal-electric circuit has been carried out to determine the thermal parameters of the system and an energy balance obtained from the time-dependent heating and cooling temperature curves of the irradiated samples in order to obtain the photothermal transduction efficiency. By knowing this parameter, it is possible to increase the effectiveness of the treatments, thanks to the possibility of predicting the response of the device depending on the working configuration. As an example, the thermal behavior of two different kinds of nanoparticles is compared. The results show that, under identical conditions, the use of PEGylated gold nanorods allows for a more efficient heating compared with bare nanorods, and therefore, it results in a more effective therapy.

Monte Carlo Neutronics and Thermal-hydraulics coupling applied to Fast Reactors

Un escenario habitualmente considerado para el uso sostenible y prolongado de la energ��a nuclear contempla un parque de reactores r��pidos refrigerados por metales l��quidos (LMFR) dedicados al reciclado de Pu y la transmutaci��n de act��nidos minoritarios (MA). Otra opci��n es combinar dichos reactores con algunos sistemas subcr��ticos asistidos por acelerador (ADS), exclusivamente destinados a la eliminaci��n de MA. El dise��o y licenciamiento de estos reactores innovadores requiere herramientas computacionales pr��cticas y precisas, que incorporen el conocimiento obtenido en la investigaci��n experimental de nuevas configuraciones de reactores, materiales y sistemas. A pesar de que se han construido y operado un cierto n��mero de reactores r��pidos a nivel mundial, la experiencia operacional es todav��a reducida y no todos los transitorios se han podido entender completamente. Por tanto, los an��lisis de seguridad de nuevos LMFR est��n basados fundamentalmente en m��todos deterministas, al contrario que las aproximaciones modernas para reactores de agua ligera (LWR), que se benefician tambi��n de los m��todos probabilistas. La aproximaci��n m��s usada en los estudios de seguridad de LMFR es utilizar una variedad de c��digos, desarrollados a base de distintas teor��as, en busca de soluciones integrales para los transitorios e incluyendo incertidumbres. En este marco, los nuevos c��digos para c��lculos de mejor estimaci��n ("best estimate") que no incluyen aproximaciones conservadoras, son de una importancia primordial para analizar estacionarios y transitorios en reactores r��pidos. Esta tesis se centra en el desarrollo de un c��digo acoplado para realizar an��lisis realistas en reactores r��pidos cr��ticos aplicando el m��todo de Monte Carlo. Hoy en d��a, dado el mayor potencial de recursos computacionales, los c��digos de transporte neutr��nico por Monte Carlo se pueden usar de manera pr��ctica para realizar c��lculos detallados de n��cleos completos, incluso de elevada heterogeneidad material. Adem��s, los c��digos de Monte Carlo se toman normalmente como referencia para los c��digos deterministas de difusi��n en multigrupos en aplicaciones con reactores r��pidos, porque usan secciones eficaces punto a punto, un modelo geom��trico exacto y tienen en cuenta intr��nsecamente la dependencia angular de flujo. En esta tesis se presenta una metodolog��a de acoplamiento entre el conocido c��digo MCNP, que calcula la generaci��n de potencia en el reactor, y el c��digo de termohidr��ulica de subcanal COBRA-IV, que obtiene las distribuciones de temperatura y densidad en el sistema. COBRA-IV es un c��digo apropiado para aplicaciones en reactores r��pidos ya que ha sido validado con resultados experimentales en haces de barras con sodio, incluyendo las correlaciones m��s apropiadas para metales l��quidos. En una primera fase de la tesis, ambos c��digos se han acoplado en estado estacionario utilizando un m��todo iterativo con intercambio de archivos externos. El principal problema en el acoplamiento neutr��nico y termohidr��ulico en estacionario con c��digos de Monte Carlo es la manipulaci��n de las secciones eficaces para tener en cuenta el ensanchamiento Doppler cuando la temperatura del combustible aumenta. Entre todas las opciones disponibles, en esta tesis se ha escogido la aproximaci��n de pseudo materiales, y se ha comprobado que proporciona resultados aceptables en su aplicaci��n con reactores r��pidos. Por otro lado, los cambios geom��tricos originados por grandes gradientes de temperatura en el n��cleo de reactores r��pidos resultan importantes para la neutr��nica como consecuencia del elevado recorrido libre medio del neutr��n en estos sistemas. Por tanto, se ha desarrollado un m��dulo adicional que simula la geometr��a del reactor en caliente y permite estimar la reactividad debido a la expansi��n del n��cleo en un transitorio. ��ste m��dulo calcula autom��ticamente la longitud del combustible, el radio de la vaina, la separaci��n de los elementos de combustible y el radio de la placa soporte en funci��n de la temperatura. ��ste efecto es muy relevante en transitorios sin inserci��n de bancos de parada. Tambi��n relacionado con los cambios geom��tricos, se ha implementado una herramienta que, automatiza el movimiento de las barras de control en busca d la criticidad del reactor, o bien calcula el valor de inserci��n axial las barras de control. Una segunda fase en la plataforma de c��lculo que se ha desarrollado es la simulaci�� din��mica. Puesto que MCNP s��lo realiza c��lculos estacionarios para sistemas cr��ticos o supercr��ticos, la soluci��n m��s directa que se propone sin modificar el c��digo fuente de MCNP es usar la aproximaci��n de factorizaci��n de flujo, que resuelve por separado la forma del flujo y la amplitud. En este caso se han estudiado en profundidad dos aproximaciones: adiab��tica y quasiest��tica. El m��todo adiab��tico usa un esquema de acoplamiento que alterna en el tiempo los c��lculos neutr��nicos y termohidr��ulicos. MCNP calcula el modo fundamental de la distribuci��n de neutrones y la reactividad al final de cada paso de tiempo, y COBRA-IV calcula las propiedades t��rmicas en el punto intermedio de los pasos de tiempo. La evoluci��n de la amplitud de flujo se calcula resolviendo las ecuaciones de cin��tica puntual. Este m��todo calcula la reactividad est��tica en cada paso de tiempo que, en general, difiere de la reactividad din��mica que se obtendr��a con la distribuci��n de flujo exacta y dependiente de tiempo. No obstante, para entornos no excesivamente alejados de la criticidad ambas reactividades son similares y el m��todo conduce a resultados pr��cticos aceptables. Siguiendo esta l��nea, se ha desarrollado despu��s un m��todo mejorado para intentar tener en cuenta el efecto de la fuente de neutrones retardados en la evoluci��n de la forma del flujo durante el transitorio. El esquema consiste en realizar un c��lculo cuasiestacionario por cada paso de tiempo con MCNP. La simulaci��n cuasiestacionaria se basa EN la aproximaci��n de fuente constante de neutrones retardados, y consiste en dar un determinado peso o importancia a cada ciclo computacial del c��lculo de criticidad con MCNP para la estimaci��n del flujo final. Ambos m��todos se han verificado tomando como referencia los resultados del c��digo de difusi��n COBAYA3 frente a un ejercicio com��n y suficientemente significativo. Finalmente, con objeto de demostrar la posibilidad de uso pr��ctico del c��digo, se ha simulado un transitorio en el concepto de reactor cr��tico en fase de dise��o MYRRHA/FASTEF, de 100 MW de potencia t��rmica y refrigerado por plomo-bismuto. ABSTRACT Long term sustainable nuclear energy scenarios envisage a fleet of Liquid Metal Fast Reactors (LMFR) for the Pu recycling and minor actinides (MAs) transmutation or combined with some accelerator driven systems (ADS) just for MAs elimination. Design and licensing of these innovative reactor concepts require accurate computational tools, implementing the knowledge obtained in experimental research for new reactor configurations, materials and associated systems. Although a number of fast reactor systems have already been built, the operational experience is still reduced, especially for lead reactors, and not all the transients are fully understood. The safety analysis approach for LMFR is therefore based only on deterministic methods, different from modern approach for Light Water Reactors (LWR) which also benefit from probabilistic methods. Usually, the approach adopted in LMFR safety assessments is to employ a variety of codes, somewhat different for the each other, to analyze transients looking for a comprehensive solution and including uncertainties. In this frame, new best estimate simulation codes are of prime importance in order to analyze fast reactors steady state and transients. This thesis is focused on the development of a coupled code system for best estimate analysis in fast critical reactor. Currently due to the increase in the computational resources, Monte Carlo methods for neutrons transport can be used for detailed full core calculations. Furthermore, Monte Carlo codes are usually taken as reference for deterministic diffusion multigroups codes in fast reactors applications because they employ point-wise cross sections in an exact geometry model and intrinsically account for directional dependence of the ux. The coupling methodology presented here uses MCNP to calculate the power deposition within the reactor. The subchannel code COBRA-IV calculates the temperature and density distribution within the reactor. COBRA-IV is suitable for fast reactors applications because it has been validated against experimental results in sodium rod bundles. The proper correlations for liquid metal applications have been added to the thermal-hydraulics program. Both codes are coupled at steady state using an iterative method and external files exchange. The main issue in the Monte Carlo/thermal-hydraulics steady state coupling is the cross section handling to take into account Doppler broadening when temperature rises. Among every available options, the pseudo materials approach has been chosen in this thesis. This approach obtains reasonable results in fast reactor applications. Furthermore, geometrical changes caused by large temperature gradients in the core, are of major importance in fast reactor due to the large neutron mean free path. An additional module has therefore been included in order to simulate the reactor geometry in hot state or to estimate the reactivity due to core expansion in a transient. The module automatically calculates the fuel length, cladding radius, fuel assembly pitch and diagrid radius with the temperature. This effect will be crucial in some unprotected transients. Also related to geometrical changes, an automatic control rod movement feature has been implemented in order to achieve a just critical reactor or to calculate control rod worth. A step forward in the coupling platform is the dynamic simulation. Since MCNP performs only steady state calculations for critical systems, the more straight forward option without modifying MCNP source code, is to use the flux factorization approach solving separately the flux shape and amplitude. In this thesis two options have been studied to tackle time dependent neutronic simulations using a Monte Carlo code: adiabatic and quasistatic methods. The adiabatic methods uses a staggered time coupling scheme for the time advance of neutronics and the thermal-hydraulics calculations. MCNP computes the fundamental mode of the neutron flux distribution and the reactivity at the end of each time step and COBRA-IV the thermal properties at half of the the time steps. To calculate the flux amplitude evolution a solver of the point kinetics equations is used. This method calculates the static reactivity in each time step that in general is different from the dynamic reactivity calculated with the exact flux distribution. Nevertheless, for close to critical situations, both reactivities are similar and the method leads to acceptable practical results. In this line, an improved method as an attempt to take into account the effect of delayed neutron source in the transient flux shape evolutions is developed. The scheme performs a quasistationary calculation per time step with MCNP. This quasistationary simulations is based con the constant delayed source approach, taking into account the importance of each criticality cycle in the final flux estimation. Both adiabatic and quasistatic methods have been verified against the diffusion code COBAYA3, using a theoretical kinetic exercise. Finally, a transient in a critical 100 MWth lead-bismuth-eutectic reactor concept is analyzed using the adiabatic method as an application example in a real system.

Numerical model for the study of hydrodynamics on bays and estuaries

A nonlinear implicit finite element model for the solution of two-dimensional (2-D) shallow water equations, based on a Galerkin formulation of the 2-D estuaries hydrodynamic equations, has been developed. Spatial discretization has been achieved by the use of isoparametric, Lagrangian elements. To obtain the different element matrices, Simpson numerical integration has been applied. For time integration of the model, several schemes in finite differences have been used: the Cranck-Nicholson iterative method supplies a superior accuracy and allows us to work with the greatest time step ��t; however, central differences time integration produces a greater velocity of calculation. The model has been tested with different examples to check its accuracy and advantages in relation to computation and handling of matrices. Finally, an application to the Bay of Santander is also presented.

An��lisis y simulaci��n num��rica de problemas electrohidrodin��micos relacionados con el electrospray

La presente tesis es un estudio anal��tico y num��rico del electrospray. En la configuraci��n m��s sencilla, un caudal constante del l��quido a atomizar, que debe tener una cierta conductividad el��ctrica, se inyecta en un medio diel��ctrico (un gas u otro l��quido inmiscible con el primero) a trav��s de un tubo capilar met��lico. Entre este tubo y un electrodo lejano se aplica un voltaje continuo que origina un campo el��ctrico en el l��quido conductor y en el espacio que lo rodea. El campo el��ctrico induce una corriente el��ctrica en el l��quido, que acumula carga en su superficie, y da lugar a un esfuerzo el��ctrico sobre la superficie, que tiende a alargarla en la direcci��n del campo el��ctrico. El l��quido forma un menisco en el extremo del tubo capilar cuando el campo el��ctrico es suficientemente intenso y el caudal suficientemente peque��o. Las variaciones de presi��n y los esfuerzos viscosos asociados al movimiento del l��quido son despreciables en la mayor parte de este menisco, siendo dominantes los esfuerzos el��ctrico y de tensi��n superficial que act��an sobre la superficie del l��quido. En el modo de funcionamiento llamado de conochorro, el balance de estos esfuerzos hace que el menisco adopte una forma c��nica (el cono de Taylor) en una regi��n intermedia entre el extremo del tubo y la punta del menisco. La velocidad del l��quido aumenta al acercarse al v��rtice del cono, lo cual propicia que las variaciones de la presi��n en el l��quido generadas por la inercia o por la viscosidad entren en juego, desequilibrando el balance de esfuerzos mencionado antes. Como consecuencia, del v��rtice del cono sale un delgado chorro de l��quido, que transporta la carga el��ctrica que se acumula en la superficie. La acci��n del campo el��ctrico tangente a la superficie sobre esta carga origina una tracci��n el��ctrica que tiende a alargar el chorro. Esta tracci��n no es relevante en el menisco, donde el campo el��ctrico tangente a la superficie es muy peque��o, pero se hace importante en el chorro, donde es la causa del movimiento del l��quido. Lejos del cono, el chorro puede o bien desarrollar una inestabilidad asim��trica que lo transforma en una espiral (whipping) o bien romperse en un spray de gotas pr��cticamente monodispersas cargadas el��ctricamente. La corriente el��ctrica transportada por el l��quido es la suma de la corriente de conducci��n en el interior del l��quido y la corriente debida a la convecci��n de la carga acumulada en su superficie. La primera domina en el menisco y la segunda en el chorro lejano, mientras que las dos son comparables en una regi��n intermedia de transferencia de corriente situada al comienzo del chorro aunque aguas abajo de la regi��n de transici��n cono-chorro, en la que el menisco deja de ser un cono de Taylor. Para un campo exterior dado, la acumulaci��n de carga el��ctrica en la superficie del l��quido reduce el campo el��ctrico en el interior del mismo, que llega a anularse cuando la carga alcanza un estado final de equilibrio. El tiempo caracter��stico de este proceso es el tiempo de relajaci��n diel��ctrica, que es una propiedad del l��quido. Cuando el tiempo de residencia del l��quido en la regi��n de transici��n cono-chorro (o en otra regi��n del campo fluido) es grande frente al tiempo de relajaci��n diel��ctrica, la carga superficial sigue una sucesi��n de estados de equilibrio y apantalla al l��quido del campo exterior. Cuando esta condici��n deja de cumplirse, aparecen efectos de relajaci��n de carga, que se traducen en que el campo exterior penetra en el l��quido, a no ser que su constante diel��ctrica sea muy alta, en cuyo caso el campo inducido por la carga de polarizaci��n evita la entrada del campo exterior en el menisco y en una cierta regi��n del chorro. La carga el��ctrica en equilibrio en la superficie de un menisco c��nico intensifica el campo el��ctrico y determina su variaci��n espacial hasta distancias aguas abajo del menisco del orden de su tama��o. Este campo, calculado por Taylor, es independiente del voltaje aplicado, por lo que las condiciones locales del flujo y el valor de la corriente el��ctrica son tambi��n independientes del voltaje en tanto los tama��os de las regiones que determinan estas propiedades sean peque��os frente al tama��o del menisco. Los resultados experimentales publicados en la literatura muestran que existe un caudal m��nimo para el que el modo cono-chorro que acabamos de describir deja de existir. El valor medio y la desviaci��n t��pica de la distribuci��n de tama��os de las gotas generadas por un electrospray son m��nimos cuando se opera cerca del caudal m��nimo. A pesar de que los mecanismos responsables del caudal m��nimo han sido muy estudiados, no hay a��n una teor��a completa del mismo, si bien su existencia parece estar ligada a la aparici��n de efectos de relajaci��n de carga en la regi��n de transici��n cono-chorro. En esta tesis, se presentan estimaciones de orden de magnitud, algunas existentes y otras nuevas, que muestran los balances dominantes responsables de las distintas regiones de la estructura asint��tica de la soluci��n en varios casos de inter��s. Cuando la inercia del l��quido juega un papel en la transici��n cono-chorro, los resultados muestran que la regi��n de transferencia de corriente, donde la mayor parte de la corriente pasa a la superficie, est�� en el chorro aguas abajo de la regi��n de transici��n cono-chorro. Los efectos de relajaci��n de carga aparecen de forma simult��nea en el chorro y la regi��n de transici��n cuando el caudal se disminuye hasta valores de un cierto orden. Para caudales a��n menores, los efectos de relajaci��n de carga se notan en el menisco, en una regi��n grande comparada con la de transici��n cono-chorro. Cuando el efecto de las fuerzas de viscosidad es dominante en la regi��n de transici��n, la regi��n de transferencia de corriente est�� en el chorro pero muy pr��xima a la regi��n de transici��n cono-chorro. Al ir disminuyendo el caudal, los efectos de relajaci��n de carga aparecen progresivamente en el chorro, en la regi��n de transici��n y por ��ltimo en el menisco. Cuando el caudal es mucho mayor que el m��nimo del modo cono-chorro, el menisco deja de ser c��nico. El campo el��ctrico debido al voltaje aplicado domina en la regi��n de transferencia de corriente, y tanto la corriente el��ctrica como el tama��o de las diferentes regiones del problema pasan a depender del voltaje aplicado. Como resultado de esta dependencia, el plano caudal-voltaje se divide en diferentes regiones que se analizan separadamente. Para caudales suficientemente grandes, la inercia del l��quido termina dominando frente a las fuerzas de la viscosidad. Estos resultados te��ricos se han validado con simulaciones num��ricas. Para ello se ha formulado un modelo simplificado del flujo, el campo el��ctrico y el transporte de carga en el menisco y el chorro del electrospray. El movimiento del l��quido se supone casi unidireccional y se describe usando la aproximaci��n de Cosserat para un chorro esbelto. Esta aproximaci��n, ampliamente usada en la literatura, permite simular con relativa facilidad m��ltiples casos y cubrir amplios rangos de valores de los par��metros reteniendo los efectos de la viscosidad y la inercia del l��quido. Los campos el��ctricos dentro y fuera del liquido est��n acoplados y se calculan sin simplificaci��n alguna usando un m��todo de elementos de contorno. La soluci��n estacionaria del problema se calcula mediante un m��todo iterativo. Para explorar el espacio de los par��metros, se comienza calculando una soluci��n para valores fijos de las propiedades del l��quido, el voltaje aplicado y el caudal. A continuaci��n, se usa un m��todo de continuaci��n que permite delinear la frontera del dominio de existencia del modo cono-chorro, donde el m��todo iterativo deja de converger. Cuando el efecto de la inercia del l��quido domina en la regi��n de transici��n cono-chorro, el caudal m��nimo para el cual el m��todo iterativo deja de converger es del orden del valor estimado del caudal para el que comienza a haber efectos de relajaci��n de carga en el chorro y el cono. Aunque las simulaciones no convergen por debajo de dicho caudal, el valor de la corriente el��ctrica para valores del caudal ligeramente mayores parece ajustarse a las estimaciones para caudales menores, reflejando un posible cambio en los balances aplicables. Por el contrario, cuando las fuerzas viscosas dominan en la regi��n de transici��n, se pueden obtener soluciones estacionarias para caudales bastante menores que aquel para el que aparecen efectos de relajaci��n de carga en la regi��n de transici��n cono-chorro. Los resultados num��ricos obtenidos para estos peque��os caudales se ajustan perfectamente a las estimaciones de orden de magnitud que se describen en la memoria. Por ��ltimo, se incluyen como anexos dos estudios te��ricos que han surgido de forma natural durante el desarrollo de la tesis. El primero hace referencia a la singularidad en el campo el��ctrico que aparece en la l��nea de contacto entre el l��quido y el tubo capilar en la mayor��a de las simulaciones. Primero se estudia en qu�� situaciones el campo el��ctrico tiende a infinito en la l��nea de contacto. Despu��s, se comprueba que dicha singularidad no supone un fallo en la descripci��n del problema y que adem��s no afecta a la soluci��n lejos de la l��nea de contacto. Tambi��n se analiza si los esfuerzos el��ctricos infinitamente grandes a los que da lugar dicha singularidad pueden ser compensados por el resto de esfuerzos que act��an en la superficie del l��quido. El segundo estudio busca determinar el tama��o de la regi��n de apantallamiento en un chorro de l��quido diel��ctrico sin carga superficial. En esta regi��n, el campo exterior es compensado parcialmente por el campo que induce la carga de polarizaci��n en la superficie del l��quido, de forma que en el interior del l��quido el campo el��ctrico es mucho menor que en el exterior. Una regi��n como ��sta aparece en las estimaciones cuando los efectos de relajaci��n de carga son importantes en la regi��n de transferencia de corriente en el chorro. ABSTRACT This aim of this dissertation is a theoretical and numerical analysis of an electrospray. In its most simple configuration, a constant flow rate of the liquid to be atomized, which has to be an electrical conductor, is injected into a dielectric medium (a gas or another inmiscible fluid) through a metallic capillary tube. A constant voltage is applied between this tube and a distant electrode that produces an electric field in the liquid and the surrounding medium. This electric field induces an electric current in the liquid that accumulates charge at its surface and leads to electric stresses that stretch the surface in the direction of the electric field. A meniscus appears on the end of the capillary tube when the electric field is sufficiently high and the flow rate is small. Pressure variations and viscous stresses due to the motion of the liquid are negligible in most of the meniscus, where normal electric and surface tension stresses acting on the surface are dominant. In the so-called cone-jet mode, the balance of these stresses forces the surface to adopt a conical shape -Taylor cone- in a intermediate region between the end of the tube and the tip of the meniscus. When approaching the cone apex, the velocity of the liquid increases and leads to pressure variations that eventually disturb the balance of surfaces tension and electric stresses. A thin jet emerges then from the tip of the meniscus that transports the charge accumulated at its surface. The electric field tangent to the surface of the jet acts on this charge and continuously stretches the jet. This electric force is negligible in the meniscus, where the component of the electric field tangent to the surface is small, but becomes very important in the jet. Far from the cone, the jet can either develop an asymmetrical instability named ���whipping���, whereby the jet winds into a spiral, or break into a spray of small, nearly monodisperse, charged droplets. The electric current transported by the liquid has two components, the conduction current in the bulk of the liquid and the convection current due to the transport of the surface charge by the flow. The first component dominates in the meniscus, the second one in the far jet, and both are comparable in a current transfer region located in the jet downstream of the cone-jet transition region where the meniscus ceases to be a Taylor cone. Given an external electric field, the charge that accumulates at the surface of the liquid reduces the electric field inside the liquid, until an equilibrium is reached in which the electric field induced by the surface charge counters the external electric field and shields the liquid from this field. The characteristic time of this process is the electric relaxation time, which is a property of the liquid. When the residence time of the liquid in the cone-jet transition region (or in other region of the flow) is greater than the electric relaxation time, the surface charge follows a succession of equilibrium states and continuously shield the liquid from the external field. When this condition is not satisfied, charge relaxation effects appear and the external field penetrates into the liquid unless the liquid permittivity is large. For very polar liquids, the field due to the polarization charge at the surface prevents the external field from entering the liquid in the cone and in certain region of the jet. The charge at the surface of a conical meniscus intensifies the electric field around the cone, determining its spatial variation up to distances downstream of the apex of the order of the size of the meniscus. This electric field, first computed by Taylor, is independent of the applied voltage. Therefore local flow characteristics and the electric current carried by the jet are also independent of the applied voltage provided the size of the regions that determine these magnitudes are small compared with the size of the meniscus. Many experiments in the literature show the existence of a minimum flow rate below which the cone-jet mode cannot be established. The mean value and the standard deviation of the electrospray droplet size distribution are minimum when the device is operated near the minimum flow rate. There is no complete explanation of the minimum flow rate, even though possible mechanisms have been extensively studied. The existence of a minimum flow rate seems to be connected with the appearance of charge relaxation effects in the transition region. In this dissertation, order of magnitude estimations are worked out that show the dominant balances in the different regions of the asymptotic structure of the solution for different conditions of interest. When the inertia of the liquid plays a role in the cone-jet transition region, the region where most of the electric current is transfered to the surface lies in the jet downstream the cone-jet transition region. When the flow rate decreases to a certain value, charge relaxation effects appear simultaneously in the jet and in the transition region. For smaller values of the flow rate, charge relaxation effects are important in a region of the meniscus larger than the transition region. When viscous forces dominate in the flow in the cone-jet transition region, the current transfer region is located in the jet immediately after the transition region. When flow rate is decreased, charge relaxation effects appears gradually, first in the jet, then in the transition region, and finally in the meniscus. When flow rate is much larger than the cone-jet mode minimum, the meniscus ceases to be a cone. The electric current and the structure of the solution begin to depend on the applied voltage. The flow rate-voltage plane splits into different regions that are analyzed separately. For sufficiently large flow rates, the effect of the inertia of the liquid always becomes greater than the effect of the viscous forces. A set of numerical simulations have been carried out in order to validate the theoretical results. A simplified model of the problem has been devised to compute the flow, the electric field and the surface charge in the meniscus and the jet of an electrospray. The motion of the liquid is assumed to be quasi-unidirectional and described by Cosserat���s approximation for a slender jet. This widely used approximation allows to easily compute multiple configurations and to explore wide ranges of values of the governing parameters, retaining the effects of the viscosity and the inertia of the liquid. Electric fields inside and outside the liquid are coupled and are computed without any simplification using a boundary elements method. The stationary solution of the problem is obtained by means of an iterative method. To explore the parameter space, a solution is first computed for a set of values of the liquid properties, the flow rate and the applied voltage, an then a continuation method is used to find the boundaries of the cone-jet mode domain of existence, where the iterative method ceases to converge. When the inertia of the liquid dominates in the cone-jet transition region, the iterative method ceases to converge for values of the flow rate for which order-of-magnitude estimates first predict charge relaxation effects to be important in the cone and the jet. The electric current computed for values of the flow rate slightly above the minimum for which convergence is obtained seems to agree with estimates worked out for lower flow rates. When viscous forces dominate in the transition region, stationary solutions can be obtained for flow rates significantly smaller than the one for which charge relaxation effects first appear in the transition region. Numerical results obtained for those small values of the flow rate agree with our order of magnitude estimates. Theoretical analyses of two issues that have arisen naturally during the thesis are summarized in two appendices. The first appendix contains a study of the singularity of the electric field that most of the simulations show at the contact line between the liquid and the capillary tube. The electric field near the contact line is analyzed to determine the ranges of geometrical configurations and liquid permittivity where a singularity appears. Further estimates show that this singularity does not entail a failure in the description of the problem and does not affect the solution far from the contact line. The infinite electric stresses that appear at the contact line can be effectively balanced by surface tension. The second appendix contains an analysis of the size and slenderness of the shielded region of a dielectric liquid in the absence of free surface charge. In this region, the external electric field is partially offset by the polarization charge so that the inner electric field is much lower than the outer one. A similar region appears in the estimates when charge relaxation effects are important in the current transfer region.

Aplicaci��n de la t��cnica de inyecci��n del terreno por fracturaci��n hidr��ulica a las cimentaciones de puentes en circunstancias de especial dificultad

La implantaci��n de una gran obra de paso facilita en multitud de ocasiones la vida de aquellos que aprovechen las ventajas que ofrece esta estructura. Sin embargo, el camino que lleva a su construcci��n supone importantes y tortuosos retos cuando el terreno de cimentaci��n presenta condiciones geot��cnicas no compatibles con las grandes cargas que el viaducto necesita transmitirle para su buen funcionamiento. El trabajo que desarrolla esta Tesis Doctoral proporciona una herramienta eficaz y econ��mica, por lo reducido de su extensi��n y medios, que permite allanar el camino que acomete la construcci��n de una estructura de tal envergadura. Mediante el an��lisis de la problem��tica del terreno y de las distintas soluciones de cimentaci��n empleadas en la actualidad, se conduce al lector hacia una t��cnica de cimentaci��n innovadora que combina la t��cnica del micropilotaje, para la canalizaci��n de las cargas estructurales, junto a la t��cnica de la inyecci��n de fracturaci��n hidr��ulica, que mejorar�� el terreno de implantaci��n de los micropilotes, conformando as�� un medio capaz de recibir y transmitir grandes cargas en cualquier tipo de terreno. La t��cnica ya empleada del micropilotaje, por su trabajo esencialmente axil, requiere, aunque sin problema, la constituci��n de sistemas de fuerzas que equilibren el sistema de cargas provenientes del viaducto. Pero su capacidad resistente viene condicionada por el terreno circundante. Cuando la roca rodea el micropilote, su empleo se realiza sin problema y sin necesidad de mejorar el terreno. Pero sin terreno consistente, el empleo de inyecciones de fracturaci��n hidr��ulica a trav��s de los propios micropilotes, no s��lo mejorar�� la capacidad resistente de los micropilotes, aumentando la inercia necesaria cuando las cargas son de origen s��smico o estructural ferroviario, sino que resolver�� y eliminar�� los problemas de estabilidad que presentan las laderas que frecuentemente deben recibir las cargas de la obra de paso. Tras recoger el an��lisis ya realizado en el Trabajo de Investigaci��n, donde se justificaba la alta capacidad resistente de un micropilote con terreno circundante mejorado por la inyecci��n, en la actual Tesis se emplean modelos matem��ticos sobre un caso real de viaducto sometido a un gran sismo e implantado en una enorme quebrada (500 m) de Colombia, sujeta a lluvias torrenciales y en la zona de mayor sismicidad del pa��s. Con ello se comprueba la estabilizaci��n que se alcanza en el terreno de cimentaci��n con el empleo de esta t��cnica de transmisi��n de carga y mejora del terreno. De esta forma se completa un ciclo que justifica las bondades de esta combinaci��n de t��cnicas de cimentaci��n, pero se abren las puertas a nuevos entornos de aplicaci��n, como edificios antiguos de cualquier tipo que requieran recalces, y no s��lo en la implantaci��n de grandes obras de paso. ABSTRACT The establishment of a large bridge represents, in many cases, a better life for those who can take profit of the advantages provided by that structure. Nevertheless, the process of building this structure has to overcome important and difficult circumstances whenever the geotechnical conditions of the bridge site are not adequate to carry the large loads transmitted by the bridge structure. This study develops a method both effective and economical, due to the extension and means necessary for its application, which allows to solve properly the foundation of a structure of that importance. Considering the geotechnical problems inherent to the bridge site, along with the different foundation solutions that are presently used and their limitations, the study leads the reader to an innovative technique which combines the micropile system, for transmission of the structural loads of the bridge, with the technique of hydraulic fracture grouting for improvement of the ground around the micropiles, allowing to both stabilizing and transmitting large loads in any kind of ground. It is well known that the micropiles work axially, and this condition requires an adequate distribution of those units, in order to properly absorb the load system introduced by the viaduct. The resistance of the bridge foundation is, in any case, provided by the ground. When rock is encountered, the micropiles have been successfully used without improving the ground. However, as it is shown in this study, by using the micropiles as sleeve-pipes for hydraulic fracture grouting, not only the micropile resistance can be improved in any ground, but it is possible to develop grouted ���solids��� in the ground, whose inertia allows to absorb actions of structural and seismic origin. Additionally, as it is shown and analyzed in the Thesis, the ground improvement can give an adequate safety factor to the slopes frequently encountered in bridge sites. In order to properly justify those advantages of combining micropiles with ground improvement through fracture grouting around the micropiles, mathematical models have been developed and applied to a real case of a cable-stayed bridge installed on a very large ravine (500 m) in Colombia, located in the highest seismic zone of the country, and subject to torrential rains. The results of this numerical analysis show the high safety condition provided by the ground improvement to the viaduct site. In conclusion, the Thesis shows the important improvement that can be provided by the combination of micropiles and soil improvement, through fracture grouting, to the problem of founding bridges. However, it can be understood that this technique could be applied successfully to underpinning buildings, specially old buildings of any type, apart from its use in bridge foundations.

Simulating the remote handling of the blanket segments in DEMO fusion reactor with thermo-mechanical meshfree multibody dynamics

The present study shows a first approach to the simulation of the remote handling oper- ation which takes into account the thermal and flexible behavior of the blanket segments and its implications on the remote handling equipment, in order to validate and improve its design.

Limit load instabilities in structural elements

Este trabajo analiza distintas inestabilidades en estructuras formadas por distintos materiales. En particular, se capturan y se modelan las inestabilidades usando el m��todo de Riks. Inicialmente, se analiza la bifurcaci��n en dep��sitos cil��ndricos formados por material anis��tropo sometidos a carga axial y presi��n interna. El an��lisis de bifurcaci��n y post-bifurcaci��n asociados con cilindros de pared gruesa se formula para un material incompresible reforzado con dos fibras que son mec��nicamente equivalentes y est��n dispuestas sim��tricamente. Consideramos dos casos en la naturaleza de la anisotrop��a: (i) Fibras refuerzo que tienen una influencia particular sobre la respuesta a cortante del material y (ii) Fibras refuerzo que influyen s��lo si la fibra cambia de longitud con la deformaci��n. Se analiza la propagaci��n de las inestabilidades. En concreto, se diferencia en el abultamiento (bulging) entre la propagaci��n axial y la propagaci��n radial de la inestabilidad. Distintos modelos sufren una u otra propagaci��n. Por ��ltimo, distintas inestabilidades asociadas al mecanismo de ablandamiento del material (material softening) en contraposici��n al de endurecimiento (hardening) en una estructura (viga) de a: hormig��n y b: hormig��n reforzado son modeladas utilizando una metodolog��a paralela a la desarrollada en el an��lisis de inestabilidades en tubos sometidos a presi��n interna. This present work deals with the instability of structures made of various materials. It captures and models different types of instabilities using numerical analysis. Firstly, we consider bifurcation for anisotropic cylindrical shells subject to axial loading and internal pressure. Analysis of bifurcation and post bifurcation of inflated hyperelastic thick-walled cylinder is formulated using a numerical procedure based on the modified Riks method for an incompressible material with two preferred directions which are mechanically equivalent and are symmetrically disposed. Secondly, bulging/necking motion in doubly fiber-reinforced incompressible nonlinearly elastic cylindrical shells is captured and we consider two cases for the nature of the anisotropy: (i) reinforcing models that have a particular influence on the shear response of the material and (ii) reinforcing models that depend only on the stretch in the fiber direction. The different instability motions are considered. Axial propagation of the bulging instability mode in thin-walled cylinders under inflation is analyzed. We present the analytical solution for this particular motion as well as for radial expansion during bulging evolution. For illustration, cylinders that are made of either isotropic incompressible non-linearly elastic materials or doubly fiber reinforced incompressible non-linearly elastic materials are considered. Finally, strain-softening constitutive models are considered to analyze two concrete structures: a reinforced concrete beam and an unreinforced notch beam. The bifurcation point is captured using the Riks method used previously to analyze bifurcation of a pressurized cylinder.

Estabilidad de puentes l��quidos bajo el efecto de una rotaci��n no axilsim��trica

El estudio de la influencia de perturbaciones de distinta naturaleza en configuraciones de puentes l��quidos apoyados en dos discos coaxiales en rotaci��n encuentra una importante motivaci��n en el uso de dicha configuraci��n en la fabricaci��n de cristales semiconductores ultra-puros por la denominada t��cnica de zona flotante, en la que la rotaci��n de los discos se utiliza para alcanzar temperaturas uniformes. El presente estudio muestra los resultados obtenidos mediante la aplicaci��n de un m��todo num��rico en el an��lisis de la estabilidad de puentes l��quidos en isorrotaci��n sometidos al efecto de una fuerza axial uniforme (gravedad axial) y una excentricidad entre el eje de giro y el eje de los discos. Se analiza el efecto de la aplicaci��n de estos factores tanto de forma conjunta como por separado. Aunque existen numerosos estudios previos sobre puentes l��quidos sometidos a diversos efectos, el an��lisis del efecto combinado de la rotaci��n con excentricidad y gravedad axial no ha sido realizado con anterioridad. Este estudio permite adem��s entender los resultados del experimento a bordo de la misi��n TEXUS-23, en el que un puente l��quido sujeto entre dos discos circulares y coaxiales es sometido al efecto de una rotaci��n creciente en torno a un eje desplazado respecto al eje de los discos. Aunque en el experimento no se impone una fuerza axial controlada, la desestabilizaci��n y rotura del puente se produce de forma notablemente asim��trica, lo que no puede ser explicado con los estudios precedentes y sugiere una posible presencia de una aceleraci��n axial residual. Se ha desarrollado por tanto un m��todo de an��lisis de im��genes que permite comparar las formas obtenidas en el experimento con las calculadas num��ricamente. En este estudio se muestran los detalles del procesado realizado en las im��genes de la misi��n TEXUS-23, y los resultados de su comparaci��n con el an��lisis num��rico, que permiten determinar el valor de la gravedad axial que mejor reproduce los resultados del experimento. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia del conocimiento y la modelizaci��n de efectos cuya presencia (intencionada o no) afectan de forma visible a la estabilidad y la morfolog��a de los puentes l��quidos. ABSTRACT The study of the influence of various disturbances in configurations consisting of a liquid bridge supported by two co-axial disks in rotation has an important motivation in the use of this configuration in the fabrication of ultrapure semiconductor crystals via the so-called floating zone technique, in which the rotation of the disks is used to achieve a uniform temperature field. The present study shows the results obtained through the application of a numerical method in the analysis of the stability of liquid bridges in isorotation under the effect of a uniform axial force field (axial gravity) and an offset between the rotation axis and the axis of the supporting disks (eccentricity). The analysis studies the effect of both the combined and separate application of these factors. Although there are numerous studies on liquid bridges subject to various effects, the analysis of the combined effect of rotation with eccentricity and axial gravity has not been done before. Furthermore, this study allows us to understand the results from the experiment aboard the TEXUS-23 mission, in which a liquid bridge supported between two circular-shaped, co-axial disks is subject to the effect of an increasing rotation around an axis with an offset with respect to the axis of the disks. Although the experiment conditions do not include a controlled axial force field, the instability and breakage of the bridge occurs with a marked asymmetry, which cannot be explained by previous studies and suggests the possible presence of a residual axial gravity. Therefore, an image analysis method has been developed which allows to compare the shapes obtained in the experiment with those calculated with the numerical method. This study shows the details of the processing performed on the images from the TEXUS-23 mission and the results from their comparison with the numerical analysis, which allow to determine the axial gravity value which best recovers the experimental results. These results highlight the importance of the understanding and modelling of effects which, when present (intentionally or not), noticeably affect the stability and shape of the liquid bridges.

An��lise te��rica-experimental de perfis de a��o formados a frio devido �� instabilidade por distor����o na flex��o

Apresenta-se neste trabalho um estudo te��rico-experimental sobre a instabilidade de perfis formados a frio submetidos �� flex��o. A instabilidade distorcional se faz comum na presen��a de tens��es de compress��o atuando sobre perfis enrijecidos e fabricados com a��os de elevada resist��ncia mec��nica. A parte te��rica abrange os m��todos de c��lculo anal��ticos e num��ricos para a an��lise de instabilidade distorcional de perfis de se����o aberta formados a frio. Na parte experimental inclui-se o estudo de perfis formados a frio com se����es do tipo U enrijecidos submetidos aos ensaios �� flex��o. Nestes ensaios variou-se a altura de alma e espessura de chapa procurando-se abranger maior n��mero de condi����es geom��tricas para an��lise da estabilidade distorcional. Inclui-se tamb��m a an��lise de instabilidade num��rica dos perfis do programa experimental atrav��s do m��todo de resist��ncia direta via m��todo das faixas finitas. Com base nos resultados experimentais, num��ricos e na an��lise te��rica do problema, verificou-se o procedimento adotado pela NBR14762/2001 e efetuou-se compara����o entre curvas de resist��ncia propostas para o dimensionamento de perfis formados a frio �� flex��o. Foi verificado que o fen��meno de instabilidade distorcional pode ser o estado limite ��ltimo cr��tico para o dimensionamento dos perfis formados a frio.

Modelo tridimensional em elementos finitos para a an��lise de cabo umbilical STU submetido ao carregamento de crushing.

Este trabalho desenvolve e apresenta um modelo tridimensional em elementos finitos de um cabo umbilical do tipo STU (Steel Tube Umbilical) utilizado na extra����o offshore de petr��leo. Tal modelo �� utilizado para estudar o carregamento de crushing, que �� imposto ao cabo umbilical pelas sapatas do tensionador durante o seu lan��amento, de modo a obter de forma detalhada a distribui����o de tens��es nos componentes do n��cleo, com foco nos tubos de a��o utilizados para o transporte de fluidos. A metodologia empregada no desenvolvimento do modelo �� descrita detalhadamente ao longo do trabalho, de forma que possa vir a ser utilizada no estudo de outras configura����es de cabos umbilicais. O modelo elaborado �� utilizado (i) como paradigma para a valida����o de um modelo bidimensional, que visa analisar o mesmo problema de forma mais simples e r��pida, e (ii) para o estudo do comportamento das tens��es nos tubos de a��o na regi��o de transi����o de entrada/sa��da da sapata. Na compara����o entre os modelos bi e tridimensional, o trabalho conclui pela validade do modelo bidimensional na avalia����o das tens��es nos tubos de a��o resultantes do carregamento de crushing, na regi��o central do cabo. O estudo realizado na regi��o de transi����o de entrada/sa��da da sapata permitiu verificar que ocorre um aumento dos n��veis de tens��o nos tubos de a��o nessas regi��es de transi����o, com redistribui����o do campo de tens��es ap��s plastifica����o.

An��lisis num��rico del comportamiento vibratorio del conjunto m��vil de un altavoz din��mico

En este trabajo se describe el proceso llevado a cabo para analizar num��ricamente mediante el m��todo de los elementos finitos (MEF) el comportamiento vibratorio del conjunto m��vil de un altavoz din��mico de bobina con doble suspensi��n inferior y en ausencia de la superior. El estudio se centra en el rango de baja frecuencia. El calibrado del modelo se realiza en base a medidas experimentales de la frecuencia de resonancia y desplazamiento del diafragma. Se hace ��nfasis en la importancia de los factores de participaci��n asociados a la fuerza de excitaci��n y en los cambios que se producen en estos al introducir fuerzas no equilibradas. As�� mismo, el an��lisis proporciona datos para decidir sobre la distancia entre suspensiones, su n��mero ��ptimo de pliegues y la ubicaci��n de las trencillas, siendo estos par��metros de gran inter��s en el dise��o de este tipo de altavoces.