Evolución microestructural en la preparación de materiales compuestos NiFe2O4-BaTiO3 por vía hidrotermal

La obtención de materiales monofásicos con respuesta ferroeléctrica y (anti-)ferromagnética simultánea y acoplada resulta problemática debido a limitaciones intrínsecas de tipo físico, estructural y electrónico. En este sentido una alternativa más realista, y en cierto modo con mayor flexibilidad a la hora de diseñar futuros dispositivos multiferroicos, consiste en preparar materiales compuestos en los cuales el acoplamiento magnetoeléctrico se puede alcanzar explotando los efectos interfaciales entre fases disimilares. Tal es el caso de los materiales compuestos basados en BaTiO3 (fase ferroeléctrica) y NiFe2O4 (fase magnética), que ya se han empezado a preparar fundamentalmente por medio de técnicas de deposición altamente energéticas. Sin embargo de cara a su aplicación práctica, sería interesante poder preparar esos materiales por métodos más sostenibles y menos costosos. De acuerdo con ello, en este trabajo se presenta un estudio preliminar en torno a la evolución microestructural experimentada por los materiales basados en NiFe2O4-BaTiO3 cuando son preparados mediante una técnica de procesamiento suave en disolución como es la síntesis hidrotermal. En concreto se ha analizado la influencia que diversos parámetros característicos del procesamiento hidrotermal pueden tener sobre la generación y distribución de fases e interfases durante la posterior consolidación térmica de estos materiales compuestos.

El fitness como factor determinante en el riesgo de discapacidad, su relación con la composición corporal y el estado cognitivo en población mayor institucionalizada y de vida independiente = Fitness as a determinant factor in the risk of disability, and its relationship to body composition and cognitive status in institutionalized elderly population and independent living

La condición física, o como mejor se la conoce hoy en día el “fitness”, es una variable que está cobrando gran protagonismo, especialmente desde la perspectiva de la salud. La mejora de la calidad de vida que se ha experimentado en los últimos años en las sociedades desarrolladas, conlleva un aumento de la esperanza de vida, lo que hace que cada vez más personas vivan más años. Este rápido crecimiento de la población mayor de 60 años hace que, un grupo poblacional prácticamente olvidado desde el punto de vista de la investigación científica en el campo de la actividad física y del deporte, cobre gran relevancia, con el fin de poder ayudar a alcanzar el dicho “no se trata de aportar años a la vida sino vida a lo años”. La presente memoria de Tesis Doctoral tiene como principal objetivo valorar los niveles de fitness en población mayor española, además de analizar la relación existente entre el fitness, sus condicionantes y otros aspectos de la salud, tales como la composición corporal y el estado cognitivo. Entendemos que para poder establecer futuras políticas de salud pública en relación a la actividad física y el envejecimiento activo es necesario conocer cuáles son los niveles de partida de la población mayor en España y sus condicionantes. El trabajo está basado en los datos del estudio multicéntrico EXERNET (Estudio Multi-céntrico para la Evaluación de los Niveles de Condición Física y su relación con Estilos de Vida Saludables en población mayor española no institucionalizada), así como en los datos de dos estudios, llevados a cabo en población mayor institucionalizada. Se han analizado un total de 3136 mayores de vida independiente, procedentes de 6 comunidades autónomas, y 153 mayores institucionalizados en residencias de la Comunidad de Madrid. Los principales resultados de esta tesis son los siguientes: a) Fueron establecidos los valores de referencia, así como las curvas de percentiles, para cada uno de los test de fitness, de acuerdo a la edad y al sexo, en población mayor española de vida independiente y no institucionalizada. b) Los varones obtuvieron mejores niveles de fitness que las mujeres, excepto en los test de flexibilidad; existe una tendencia a disminuir la condición física en ambos sexos a medida que la edad aumenta. c) Niveles bajos de fitness funcional fueron asociados con un aumento en la percepción de problemas. d) El nivel mínimo de fitness funcional a partir del cual los mayores perciben problemas en sus actividades de la vida diaria (AVD) es similar en ambos sexos. e) Niveles elevados de fitness fueron asociados con un menor riesgo de sufrir obesidad sarcopénica y con una mejor salud percibida en los mayores. f) Las personas mayores con obesidad sarcopénica tienen menor capacidad funcional que las personas mayores sanas. g) Niveles elevados de fuerza fueron asociados con un mejor estado cognitivo siendo el estado cognitivo la variable que más influye en el deterioro de la fuerza, incluso más que el sexo y la edad. ABSTRACT Fitness is a variable that is gaining in prominence, especially from the health perspective. Improvement of life quality that has been experienced in the last few years in developed countries, leads to an expanded life expectancy, increasing the numbers of people living longer. This population consisting of people of over 60 years, an almost forgotten population group from the point of view of scientific research in the field of physical activity and sport, is becoming increasingly important, with the main aim of helping to achieve the saying “do not only add years to life, but also add life to years”. The principal aim of the current thesis was to assess physical fitness levels in Spanish elderly people, of over 65 years, analyzing relationship between physical fitness, its determinants, and other aspects of health such as body composition and cognitive status. In order to establish further public health policies in relation to physical activity and active ageing it is necessary to identify the starting physical fitness levels of the Spanish population and their determinants. The work is based on data from the EXERNET multi-center study ("Multi-center Study for the Evaluation of Fitness levels and their relationship to Healthy Lifestyles in noninstitutionalized Spanish elderly"), and on data from two studies conducted in institutionalized elderly people: a total of 3136 non-institutionalized elderly, from 6 Regions of Spain, and 153 institutionalized elderly in nursing homes of Madrid. The main outcomes of this thesis are: a) sex- and age-specific physical fitness normative values and percentile curves for independent and non-institutionalized Spanish elderly were established. b) Greater physical fitness was present in the elderly men than in women, except for the flexibility test, and a trend toward decreased physical fitness in both sexes as their age increased. c) Lower levels of functional fitness were associated with increased perceived problems. d) The minimum functional fitness level at which older adults perceive problems in their ADLs, is similar for both sexes e) Higher levels of physical fitness were associated with a reduced risk of suffering sarcopenic obesity and better perceived health among the elderly. f) The elderly with sarcopenic obesity have lower physical functioning than healthy counterparts. g) Higher strength values were associated with better cognitive status with cognitive status being the most influencing variable in strength deterioration even more than sex and age.

Experimental and numerical study of cracking of concrete due to reinforcement corrosion

La corrosión del acero es una de las patologías más importantes que afectan a las estructuras de hormigón armado que están expuestas a ambientes marinos o al ataque de sales fundentes. Cuando se produce corrosión, se genera una capa de óxido alrededor de la superficie de las armaduras, que ocupa un volumen mayor que el acero inicial; como consecuencia, el óxido ejerce presiones internas en el hormigón circundante, que lleva a la fisuración y, ocasionalmente, al desprendimiento del recubrimiento de hormigón. Durante los últimos años, numerosos estudios han contribuido a ampliar el conocimiento sobre el proceso de fisuración; sin embargo, aún existen muchas incertidumbres respecto al comportamiento mecánico de la capa de óxido, que es fundamental para predecir la fisuración. Por ello, en esta tesis se ha desarrollado y aplicado una metodología, para mejorar el conocimiento respecto al comportamiento del sistema acero-óxido-hormigón, combinando experimentos y simulaciones numéricas. Se han realizado ensayos de corrosión acelerada en condiciones de laboratorio, utilizando la técnica de corriente impresa. Con el objetivo de obtener información cercana a la capa de acero, como muestras se seleccionaron prismas de hormigón con un tubo de acero liso como armadura, que se diseñaron para conseguir la formación de una única fisura principal en el recubrimiento. Durante los ensayos, las muestras se equiparon con instrumentos especialmente diseñados para medir la variación de diámetro y volumen interior de los tubos, y se midió la apertura de la fisura principal utilizando un extensómetro comercial, adaptado a la geometría de las muestras. Las condiciones de contorno se diseñaron cuidadosamente para que los campos de corriente y deformación fuesen planos durante los ensayos, resultando en corrosión uniforme a lo largo del tubo, para poder reproducir los ensayos en simulaciones numéricas. Se ensayaron series con varias densidades de corriente y varias profundidades de corrosión. De manera complementaria, el comportamiento en fractura del hormigón se caracterizó en ensayos independientes, y se midió la pérdida gravimétrica de los tubos siguiendo procedimientos estándar. En todos los ensayos, la fisura principal creció muy despacio durante las primeras micras de profundidad de corrosión, pero después de una cierta profundidad crítica, la fisura se desarrolló completamente, con un aumento rápido de su apertura; la densidad de corriente influye en la profundidad de corrosión crítica. Las variaciones de diámetro interior y de volumen interior de los tubos mostraron tendencias diferentes entre sí, lo que indica que la deformación del tubo no fue uniforme. Después de la corrosión acelerada, las muestras se cortaron en rebanadas, que se utilizaron en ensayos post-corrosión. El patrón de fisuración se estudió a lo largo del tubo, en rebanadas que se impregnaron en vacío con resina y fluoresceína para mejorar la visibilidad de las fisuras bajo luz ultravioleta, y se estudió la presencia de óxido dentro de las grietas. En todas las muestras, se formó una fisura principal en el recubrimiento, infiltrada con óxido, y varias fisuras secundarias finas alrededor del tubo; el número de fisuras varió con la profundidad de corrosión de las muestras. Para muestras con la misma corrosión, el número de fisuras y su posición fue diferente entre muestras y entre secciones de una misma muestra, debido a la heterogeneidad del hormigón. Finalmente, se investigó la adherencia entre el acero y el hormigón, utilizando un dispositivo diseñado para empujar el tubo en el hormigón. Las curvas de tensión frente a desplazamiento del tubo presentaron un pico marcado, seguido de un descenso constante; la profundidad de corrosión y la apertura de fisura de las muestras influyeron notablemente en la tensión residual del ensayo. Para simular la fisuración del hormigón causada por la corrosión de las armaduras, se programó un modelo numérico. Éste combina elementos finitos con fisura embebida adaptable que reproducen la fractura del hormigón conforme al modelo de fisura cohesiva estándar, y elementos de interfaz llamados elementos junta expansiva, que se programaron específicamente para reproducir la expansión volumétrica del óxido y que incorporan su comportamiento mecánico. En el elemento junta expansiva se implementó un fenómeno de despegue, concretamente de deslizamiento y separación, que resultó fundamental para obtener localización de fisuras adecuada, y que se consiguió con una fuerte reducción de la rigidez tangencial y la rigidez en tracción del óxido. Con este modelo, se realizaron simulaciones de los ensayos, utilizando modelos bidimensionales de las muestras con elementos finitos. Como datos para el comportamiento en fractura del hormigón, se utilizaron las propiedades determinadas en experimentos. Para el óxido, inicialmente se supuso un comportamiento fluido, con deslizamiento y separación casi perfectos. Después, se realizó un ajuste de los parámetros del elemento junta expansiva para reproducir los resultados experimentales. Se observó que variaciones en la rigidez normal del óxido apenas afectaban a los resultados, y que los demás parámetros apenas afectaban a la apertura de fisura; sin embargo, la deformación del tubo resultó ser muy sensible a variaciones en los parámetros del óxido, debido a la flexibilidad de la pared de los tubos, lo que resultó fundamental para determinar indirectamente los valores de los parámetros constitutivos del óxido. Finalmente, se realizaron simulaciones definitivas de los ensayos. El modelo reprodujo la profundidad de corrosión crítica y el comportamiento final de las curvas experimentales; se comprobó que la variación de diámetro interior de los tubos está fuertemente influenciada por su posición relativa respecto a la fisura principal, en concordancia con los resultados experimentales. De la comparación de los resultados experimentales y numéricos, se pudo extraer información sobre las propiedades del óxido que de otra manera no habría podido obtenerse. Corrosion of steel is one of the main pathologies affecting reinforced concrete structures exposed to marine environments or to molten salt. When corrosion occurs, an oxide layer develops around the reinforcement surface, which occupies a greater volume than the initial steel; thus, it induces internal pressure on the surrounding concrete that leads to cracking and, eventually, to full-spalling of the concrete cover. During the last years much effort has been devoted to understand the process of cracking; however, there is still a lack of knowledge regarding the mechanical behavior of the oxide layer, which is essential in the prediction of cracking. Thus, a methodology has been developed and applied in this thesis to gain further understanding of the behavior of the steel-oxide-concrete system, combining experiments and numerical simulations. Accelerated corrosion tests were carried out in laboratory conditions, using the impressed current technique. To get experimental information close to the oxide layer, concrete prisms with a smooth steel tube as reinforcement were selected as specimens, which were designed to get a single main crack across the cover. During the tests, the specimens were equipped with instruments that were specially designed to measure the variation of inner diameter and volume of the tubes, and the width of the main crack was recorded using a commercial extensometer that was adapted to the geometry of the specimens. The boundary conditions were carefully designed so that plane current and strain fields were expected during the tests, resulting in nearly uniform corrosion along the length of the tube, so that the tests could be reproduced in numerical simulations. Series of tests were carried out with various current densities and corrosion depths. Complementarily, the fracture behavior of concrete was characterized in independent tests, and the gravimetric loss of the steel tubes was determined by standard means. In all the tests, the main crack grew very slowly during the first microns of corrosion depth, but after a critical corrosion depth it fully developed and opened faster; the current density influenced the critical corrosion depth. The variation of inner diameter and inner volume of the tubes had different trends, which indicates that the deformation of the tube was not uniform. After accelerated corrosion, the specimens were cut into slices, which were used in post-corrosion tests. The pattern of cracking along the reinforcement was investigated in slices that were impregnated under vacuum with resin containing fluorescein to enhance the visibility of cracks under ultraviolet lightening and a study was carried out to assess the presence of oxide into the cracks. In all the specimens, a main crack developed through the concrete cover, which was infiltrated with oxide, and several thin secondary cracks around the reinforcement; the number of cracks diminished with the corrosion depth of the specimen. For specimens with the same corrosion, the number of cracks and their position varied from one specimen to another and between cross-sections of a given specimen, due to the heterogeneity of concrete. Finally, the bond between the steel and the concrete was investigated, using a device designed to push the tubes of steel in the concrete. The curves of stress versus displacement of the tube presented a marked peak, followed by a steady descent, with notably influence of the corrosion depth and the crack width on the residual stress. To simulate cracking of concrete due to corrosion of the reinforcement, a numerical model was implemented. It combines finite elements with an embedded adaptable crack that reproduces cracking of concrete according to the basic cohesive model, and interface elements so-called expansive joint elements, which were specially designed to reproduce the volumetric expansion of oxide and incorporate its mechanical behavior. In the expansive joint element, a debonding effect was implemented consisting of sliding and separation, which was proved to be essential to achieve proper localization of cracks, and was achieved by strongly reducing the shear and the tensile stiffnesses of the oxide. With that model, simulations of the accelerated corrosion tests were carried out on 2- dimensional finite element models of the specimens. For the fracture behavior of concrete, the properties experimentally determined were used as input. For the oxide, initially a fluidlike behavior was assumed with nearly perfect sliding and separation; then the parameters of the expansive joint element were modified to fit the experimental results. Changes in the bulk modulus of the oxide barely affected the results and changes in the remaining parameters had a moderate effect on the predicted crack width; however, the deformation of the tube was very sensitive to variations in the parameters of oxide, due to the flexibility of the tube wall, which was crucial for indirect determination of the constitutive parameters of oxide. Finally, definitive simulations of the tests were carried out. The model reproduced the critical corrosion depth and the final behavior of the experimental curves; it was assessed that the variation of inner diameter of the tubes is highly influenced by its relative position with respect to the main crack, in accordance with the experimental observations. From the comparison of the experimental and numerical results, some properties of the mechanical behavior of the oxide were disclosed that otherwise could not have been measured.

Bayesian scene analysis for multi-camera 3D tracking and camera positioning

Los sistemas de seguimiento mono-cámara han demostrado su notable capacidad para el análisis de trajectorias de objectos móviles y para monitorización de escenas de interés; sin embargo, tanto su robustez como sus posibilidades en cuanto a comprensión semántica de la escena están fuertemente limitadas por su naturaleza local y monocular, lo que los hace insuficientes para aplicaciones realistas de videovigilancia. El objetivo de esta tesis es la extensión de las posibilidades de los sistemas de seguimiento de objetos móviles para lograr un mayor grado de robustez y comprensión de la escena. La extensión propuesta se divide en dos direcciones separadas. La primera puede considerarse local, ya que está orientada a la mejora y enriquecimiento de las posiciones estimadas para los objetos móviles observados directamente por las cámaras del sistema; dicha extensión se logra mediante el desarrollo de un sistema multi-cámara de seguimiento 3D, capaz de proporcionar consistentemente las posiciones 3D de múltiples objetos a partir de las observaciones capturadas por un conjunto de sensores calibrados y con campos de visión solapados. La segunda extensión puede considerarse global, dado que su objetivo consiste en proporcionar un contexto global para relacionar las observaciones locales realizadas por una cámara con una escena de mucho mayor tamaño; para ello se propone un sistema automático de localización de cámaras basado en las trayectorias observadas de varios objetos móviles y en un mapa esquemático de la escena global monitorizada. Ambas líneas de investigación se tratan utilizando, como marco común, técnicas de estimación bayesiana: esta elección está justificada por la versatilidad y flexibilidad proporcionada por dicho marco estadístico, que permite la combinación natural de múltiples fuentes de información sobre los parámetros a estimar, así como un tratamiento riguroso de la incertidumbre asociada a las mismas mediante la inclusión de modelos de observación específicamente diseñados. Además, el marco seleccionado abre grandes posibilidades operacionales, puesto que permite la creación de diferentes métodos numéricos adaptados a las necesidades y características específicas de distintos problemas tratados. El sistema de seguimiento 3D con múltiples cámaras propuesto está específicamente diseñado para permitir descripciones esquemáticas de las medidas realizadas individualmente por cada una de las cámaras del sistema: esta elección de diseño, por tanto, no asume ningún algoritmo específico de detección o seguimiento 2D en ninguno de los sensores de la red, y hace que el sistema propuesto sea aplicable a redes reales de vigilancia con capacidades limitadas tanto en términos de procesamiento como de transmision. La combinación robusta de las observaciones capturadas individualmente por las cámaras, ruidosas, incompletas y probablemente contaminadas por falsas detecciones, se basa en un metodo de asociación bayesiana basado en geometría y color: los resultados de dicha asociación permiten el seguimiento 3D de los objetos de la escena mediante el uso de un filtro de partículas. El sistema de fusión de observaciones propuesto tiene, como principales características, una gran precisión en términos de localización 3D de objetos, y una destacable capacidad de recuperación tras eventuales errores debidos a un número insuficiente de datos de entrada. El sistema automático de localización de cámaras se basa en la observación de múltiples objetos móviles y un mapa esquemático de las áreas transitables del entorno monitorizado para inferir la posición absoluta de dicho sensor. Para este propósito, se propone un novedoso marco bayesiano que combina modelos dinámicos inducidos por el mapa en los objetos móviles presentes en la escena con las trayectorias observadas por la cámara, lo que representa un enfoque nunca utilizado en la literatura existente. El sistema de localización se divide en dos sub-tareas diferenciadas, debido a que cada una de estas tareas requiere del diseño de algoritmos específicos de muestreo para explotar en profundidad las características del marco desarrollado: por un lado, análisis de la ambigüedad del caso específicamente tratado y estimación aproximada de la localización de la cámara, y por otro, refinado de la localización de la cámara. El sistema completo, diseñado y probado para el caso específico de localización de cámaras en entornos de tráfico urbano, podría tener aplicación también en otros entornos y sensores de diferentes modalidades tras ciertas adaptaciones. ABSTRACT Mono-camera tracking systems have proved their capabilities for moving object trajectory analysis and scene monitoring, but their robustness and semantic possibilities are strongly limited by their local and monocular nature and are often insufficient for realistic surveillance applications. This thesis is aimed at extending the possibilities of moving object tracking systems to a higher level of scene understanding. The proposed extension comprises two separate directions. The first one is local, since is aimed at enriching the inferred positions of the moving objects within the area of the monitored scene directly covered by the cameras of the system; this task is achieved through the development of a multi-camera system for robust 3D tracking, able to provide 3D tracking information of multiple simultaneous moving objects from the observations reported by a set of calibrated cameras with semi-overlapping fields of view. The second extension is global, as is aimed at providing local observations performed within the field of view of one camera with a global context relating them to a much larger scene; to this end, an automatic camera positioning system relying only on observed object trajectories and a scene map is designed. The two lines of research in this thesis are addressed using Bayesian estimation as a general unifying framework. Its suitability for these two applications is justified by the flexibility and versatility of that stochastic framework, which allows the combination of multiple sources of information about the parameters to estimate in a natural and elegant way, addressing at the same time the uncertainty associated to those sources through the inclusion of models designed to this end. In addition, it opens multiple possibilities for the creation of different numerical methods for achieving satisfactory and efficient practical solutions to each addressed application. The proposed multi-camera 3D tracking method is specifically designed to work on schematic descriptions of the observations performed by each camera of the system: this choice allows the use of unspecific off-the-shelf 2D detection and/or tracking subsystems running independently at each sensor, and makes the proposal suitable for real surveillance networks with moderate computational and transmission capabilities. The robust combination of such noisy, incomplete and possibly unreliable schematic descriptors relies on a Bayesian association method, based on geometry and color, whose results allow the tracking of the targets in the scene with a particle filter. The main features exhibited by the proposal are, first, a remarkable accuracy in terms of target 3D positioning, and second, a great recovery ability after tracking losses due to insufficient input data. The proposed system for visual-based camera self-positioning uses the observations of moving objects and a schematic map of the passable areas of the environment to infer the absolute sensor position. To this end, a new Bayesian framework combining trajectory observations and map-induced dynamic models for moving objects is designed, which represents an approach to camera positioning never addressed before in the literature. This task is divided into two different sub-tasks, setting ambiguity analysis and approximate position estimation, on the one hand, and position refining, on the other, since they require the design of specific sampling algorithms to correctly exploit the discriminative features of the developed framework. This system, designed for camera positioning and demonstrated in urban traffic environments, can also be applied to different environments and sensors of other modalities after certain required adaptations.

Mejora y optimización de un código de simulación hidrodinámico con transporte de radiación para el estudio de sistemas en condiciones de alta densidad de energía

Se presentan las mejoras introducidas en un código de transporte de radiación acoplada a la hidrodinámica llamado ARWEN para el estudio de sistemas en el rango de física de alta densidad de energía (High Energy Density Physics). Los desarrollos introducidos se basan en las siguientes áreas: ít>,~ Ecuaciones de estado: se desarrolla una nueva metodología mediante la cual es posible ajustar los resultados de un modelo simple de ecuaciones de estado como QEOS a datos experimentales y resultados de AIMD. Esta metodología tiene carácter general para poder ser aplicada en gran cantidad de materuales de interés y amplia la flexibilidad de ajuste de los métodos de los que ha partido como base este trabajo. En segundo lugar, se ha desarrollado una librería para la gestión de tablas de datos de ecuaciones de estado que también incluye la gestión de tablas con datos de opacidades y de ionización. Esta nueva librería extiende las capacidades de la anterior al tener llamadas más específicas que aceleran los cálculos, y posibilidad de uso de varias tablas a la vez. Solver de difusión: se ha desarrollado un nuevo paquete para resolver la ecuación de difusión que se aplicará a la conducción de calor dentro del plasma. El método anterior no podía ser ejecutado en paralelo y producía resultados dependientes de la resolución de la malla, mientras que este método es paralelizable y además obtiene una solución con mejor convergencia, lo que supone una solución que no depende del refinamiento del mallado. Revisión del paquete de radiación: en primer lugar se ha realizado una revisión de la implementación del modelo de radiación descubriendo varios errores que han sido depurados. También se ha incluido la nueva librería de gestión de tablas de opacidades que permiten la obtención de las propiedades ópticas del plasma en multigrupos de energía. Por otra parte se ha extendido el cálculo de los coeficientes de transporte al esquema multimaterial que ha introducido David Portillo García en el paquete hidrodinámico del código de simulación. Por último se ha revisado el esquema de resolución del transporte y se ha modificado para hacerlo paralelizable. • Se ha implementado un paquete de trazado de rayos para deposición láser que extiende la utilidad del anterior al ser en 3D y poder utilizar entonces diferentes configuraciones. • Una vez realizadas todas estas tareas se ha aplicado el código ARWEN al estudio de la astrofísica de laboratorio simulando los experimentos llevados a cabo en la instalación PALS por Chantal Stehlé acerca de ondas de choque radiativas. Se han comparado los resultados experimentales frente a las predicciones del código ARWEN obteniéndose una gran concordancia en la velocidad de la onda de choque generada y en las dimensiones del precursor. El código de simulación sobre el que se ha trabajado, junto con los desarrollos aportados por otros investigadores durante la realización de esta tesis, ha permitido participar en colaboraciones con laboratorios de Francia o Japón y se han producido resultados científicos publicados basados en el trabajo descrito en esta tesis. ABSTRACT Improvements in radiation hydrodynamic code ARWEN for the study of systems in the range of physics high energy density (High Energy Density Physics) are presented. The developments introduced are based on the following áreas: • Equations of state: a new methodology was developed to adjust the results of a simple Equation of State model like QEOS to experimental data and results of AIMD. This methodology can be applied to a large amount of materials and it increases the flexibility and range of the previous methods used as basis for this work. Also a new computer library has been developed to manage data tables of thermodynamic properties as well as includes the management of opacity and ionization data tables. This new library extends the capabilities of the previous one with more specific routines, and the possibility of using múltiple tables for several materials. • Diffusion solver: a new package has been developed to solve the diffusion equation applied to the heat conduction of the plasma. The previous method is not parallelizable and it produced mesh dependent results, while this new package can be executed in parallel and achieves a more converged solution that does not depend on the refinement of the mesh. • Radiation package: the check of the radiation model rose several bugs in the implementation that had been removed. The new computer library for EOS managing includes capabilities to store opacity tables for multigroups of energy. Moreover the transport coefficients calculations have been extended for the new multimaterial hydrodynamic package developed by David Portillo García. Also the solving methodology for the transport equation has been modified to make the code run in parallel. • A new ray tracing package has been introduced to extend the previous one to 3D. Once all these tasks has been implemented, the ARWEN code has been applied to study laboratory astrophysics systems. Simulations have been done in order to reproduce the results of the experiments carried out in PALS facility by Chantal Stehlé in radiative shock production. Experimental results are in cióse agreement to the ARWEN estimations of the speed of the shock wave and the length of the precursor. The simulation code used in this thesis, including the work done in ARWEN by other colleagues at the time of this research, allowed the collaboration with other research institution in France and Japan and some of the results presented in this thesis have been published in scientific journals.

Water option contracts for reducing water supply risks: an application to the Tagus-Segura Transfer

El agua es un recurso cada vez más escaso y valioso. Por ello, los recursos hídricos disponibles deben asignarse de una forma eficiente entre los diferentes usos. El cambio climático aumentará la frecuencia y severidad de los eventos extremos, y podría incrementar la demanda de agua de los cultivos. El empleo de mecanismos flexibles de asignación de agua puede ser imprescindible para hacer frente a este aumento en la variabilidad del balance hídrico y para asegurar que los riesgos de suministro, y no solo los recursos, son compartidos de manera eficiente entre los usuarios. Los mercados de agua permiten la reasignación de los recursos hídricos, favoreciendo su transferencia desde los usos de menor a los de mayor valor. Diferentes tipos de mercados de agua se han establecido en diferentes partes del mundo, ayudando a los participantes a afrontar los problemas de escasez de agua en esas zonas. En España, los intercambios de agua están permitidos desde 1999, aunque la participación de los usuarios en el mercado ha sido limitada. Hay varios aspectos de los mercados de agua en España que deben mejorarse. Esta tesis, además de proponer una serie de cambios en el marco regulatorio, propone la introducción de contratos de opción de agua como una posible mejora. La principal ventaja de este tipo de contratos es la estabilidad legal e institucional que éstos proporcionan tanto a compradores como vendedores. Para apoyar esta propuesta, se han llevado a cabo diferentes análisis que muestran el potencial de los contratos de opción como herramienta de reducción del riesgo asociado a una oferta de agua inestable. La Cuenca del Segura (Sureste de España), la Cuenca del Tajo y el Acueducto Tajo- Segura han sido seleccionados como casos de estudio. Tres análisis distintos aplicados a dicha región se presentan en esta tesis: a) una evaluación de los contratos de opción como mecanismo para reducir los riesgos de disponibilidad de agua sufridos por los regantes en la Cuenca del Segura; b) un marco teórico para analizar las preferencias de los regantes por diferentes mecanismos de gestión del riesgo de disponibilidad de agua, su disposición a pagar por ellos y los precios aproximados de estos instrumentos (seguro de sequía y contratos de opción de agua); y c) una evaluación del papel de los contratos de opción en las decisiones de aprovisionamiento de agua de una comunidad de regantes ante una oferta de agua incierta. Los resultados muestran el potencial de reducción del riesgo de los contratos de opción para regantes en España, pero pueden ser extrapolados a otros sectores o regiones. Las principales conclusiones de esta tesis son: a) la agricultura será uno de los sectores más afectados por el cambio climático. Si los precios del agua aumentan, la rentabilidad de los cultivos puede caer hasta niveles negativos, lo que podría dar lugar al abandono de cultivos de regadío en algunas zonas de España. Las políticas de cambio climático y de agua deben estar estrechamente coordinadas para asegurar un uso de agua eficiente y la rentabilidad de la agricultura; b) aunque los mercados de agua han ayudado a algunos usuarios a afrontar problemas de disponibilidad del recurso en momentos de escasez, hay varios aspectos que deben mejorarse; c) es necesario desarrollar mercados de agua más flexibles y estables para garantizar una asignación eficiente de los recursos entre los usuarios de agua; d) los resultados muestran los beneficios derivados del establecimiento de un contrato de opción entre usuarios de agua del Tajo y del Segura para reducir el riesgo de disponibilidad de agua en la cuenca receptora; e) la disposición a pagar de los regantes por un contrato de opción de agua o un seguro de sequía hidrológica, que representa el valor que tienen estos mecanismos para aquellos usuarios de agua que se enfrentan a riesgos relacionados con la disponibilidad del recurso, es consistente con los resultados obtenidos en estudios previos y superior al precio de mercado de estos instrumentos, lo que favorece la viabilidad de estos mecanismos de gestión del riesgo ; y f) los contratos de opción podrían ayudar a optimizar las decisiones de aprovisionamiento de agua bajo incertidumbre, proporcionando más estabilidad y flexibilidad que los mercados temporales de agua. ABSTRACT Water is becoming increasingly scarce and valuable. Thus, existing water resources need to be efficiently allocated among users. Climate change is expected to increase the frequency and severity of extreme events, and it may also increase irrigated crops' water demand. The implementation of flexible allocation mechanisms could be essential to cope with this increased variability of the water balance and ensure that supply risks, and not only water resources, are also efficiently shared and managed. Water markets allow for the reallocation of water resources from low to high value uses. Different water trading mechanisms have been created in different parts of the world and have helped users to alleviate water scarcity problems in those areas. In Spain, water trading is allowed since 1999, although market activity has been limited. There are several issues in the Spanish water market that should be improved. This thesis, besides proposing several changes in the legislative framework, proposes the introduction of water option contracts as a potential improvement. The main advantage for both buyer and seller derived from an option contract is the institutional and legal stability it provides. To support this proposal, different analyses have been carried out that show the potential of option contracts as a risk reduction tool to manage water supply instability. The Segura Basin (Southeast Spain), the Tagus Basin and the Tagus-Segura inter-basin Transfer have been selected as the case study. Three different analyses applied to this region are presented in this thesis: a) an evaluation of option contracts as a mechanisms to reduce water supply availability risks in the Segura Basin; b) a theoretical framework for analyzing farmer’s preferences for different water supply risk management tools and farmers’ willingness to pay for them, together with the assessment of the prices of these mechanisms (drought insurance and water option contracts); and c) an evaluation of the role of option contracts in water procurement decisions under uncertainty. Results show the risk-reduction potential of option contracts for the agricultural sector in Spain, but these results can be extrapolated to other sectors or regions. The main conclusions of the thesis are: a) agriculture would be one of the most affected sectors by climate change. With higher water tariffs, crop’s profitability can drop to negative levels, which may result in the abandoning of the crop in many areas. Climate change and water policies must be closely coordinated to ensure efficient water use and crops’ profitability; b) although Spanish water markets have alleviated water availability problems for some users during water scarcity periods, there are several issues that should be improved; c) more flexible and stable water market mechanisms are needed to allocate water resources and water supply risks among competing users; d) results show the benefits derived from the establishment of an inter-basin option contract between water users in the Tagus and the Segura basins for reducing water supply availability risks in the recipient area; e) irrigators’ willingness to pay for option contracts or drought insurance, that represent the value that this kind of trading mechanisms has for water users facing water supply reliability problems, are consistent with results obtained in previous works and higher than the prices of this risk management tools, which shows the feasibility of these mechanisms; and f) option contracts would help to optimize water procurement decisions under uncertainty, providing more flexibility and stability than the spot market.

Gestión de configuración y línea de productos para mejorar el proceso experimental en ingeniería del software

La Ingeniería del Software (IS) Empírica adopta el método científico a la IS para facilitar la generación de conocimiento. Una de las técnicas empleadas, es la realización de experimentos. Para que el conocimiento obtenido experimentalmente adquiera el nivel de madurez necesario para su posterior uso, es necesario que los experimentos sean replicados. La existencia de múltiples replicaciones de un mismo experimento conlleva la existencia de numerosas versiones de los distintos productos generados durante la realización de cada replicación. Actualmente existe un gran descontrol sobre estos productos, ya que la administración se realiza de manera informal. Esto causa problemas a la hora de planificar nuevas replicaciones, o intentar obtener información sobre las replicaciones ya realizadas. Para conocer con detalle la dimensión del problema a resolver, se estudia el estado actual de la gestión de materiales experimentales y su uso en replicaciones, así como de las herramientas de gestión de materiales experimentales. El estudio concluye que ninguno de los enfoques estudiados proporciona una solución al problema planteado. Este trabajo persigue como objetivo mejorar la administración de los materiales experimentales y replicaciones de experimentos en IS para dar soporte a la replicación de experimentos. Para satisfacer este objetivo, se propone la adopción en experimentación de los paradigmas de Gestión de Configuración del Software (GCS) y Línea de Producto Software (LPS). Para desarrollar la propuesta se decide utilizar el método de investigación acción (en inglés action research). Para adoptar la GCS a experimentación, se comienza realizando un estudio del proceso experimental como transformación de productos; a continuación, se realiza una adopción de conceptos fundamentada en los procesos del desarrollo software y de experimentación; finalmente, se desarrollan un conjunto de instrumentos, que se incorporan a un Plan de Gestión de Configuración de Experimentos (PGCE). Para adoptar la LPS a experimentación, se comienza realizando un estudio de los conceptos, actividades y fases que fundamentan la LPS; a continuación, se realiza una adopción de los conceptos; finalmente, se desarrollan o adoptan las técnicas, simbología y modelos para dar soporte a las fases de la Línea de Producto para Experimentación (LPE). La propuesta se valida mediante la evaluación de su: viabilidad, flexibilidad, usabilidad y satisfacción. La viabilidad y flexibilidad se evalúan mediante la instanciación del PGCE y de la LPE en experimentos concretos en IS. La usabilidad se evalúa mediante el uso de la propuesta para la generación de las instancias del PGCE y de LPE. La satisfacción evalúa la información sobre el experimento que contiene el PGCE y la LPE. Los resultados de la validación de la propuesta muestran mejores resultados en los aspectos de usabilidad y satisfacción a los experimentadores. ABSTRACT Empirical software engineering adapts the scientific method to software engineering (SE) in order to facilitate knowledge generation. Experimentation is one of the techniques used. For the knowledge generated experimentally to acquire the level of maturity necessary for later use, the experiments have to be replicated. As the same experiment is replicated more than once, there are numerous versions of all the products generated during a replication. These products are generally administered informally without control. This is troublesome when it comes to planning new replications or trying to gather information on replications conducted in the past. In order to grasp the size of the problem to be solved, this research examines the current state of the art of the management and use of experimental materials in replications, as well as the tools managing experimental materials. The study concludes that none of the analysed approaches provides a solution to the stated problem. The aim of this research is to improve the administration of SE experimental materials and experimental replications in support of experiment replication. To do this, we propose the adaptation of software configuration management (SCM) and software product line (SPL) paradigms to experimentation. The action research method was selected in order to develop this proposal. The first step in the adaptation of the SCM to experimentation was to analyse the experimental process from the viewpoint of the transformation of products. The concepts were then adapted based on software development and experimentation processes. Finally, a set of instruments were developed and added to an experiment configuration management plan (ECMP). The first step in the adaptation of the SPL to experimentation is to analyse the concepts, activities and phases underlying the SPL. The concepts are then adapted. Finally, techniques, symbols and models are developed or adapted in support of the experimentation product line (EPL) phases. The proposal is validated by evaluating its feasibility, flexibility, usability and satisfaction. Feasibility and flexibility are evaluated by instantiating the ECMP and the EPL in specific SE experiments. Usability is evaluated by using the proposal to generate the instances of the ECMP and EPL. The results of the validation of the proposal show that the proposal performs better with respect to usability issues and experimenter satisfaction.

Metamodelo para la definición de metodologías de desarrollo software centradas en documentos y la mejora de la calidad de la documentación software

La documentación en los proyectos software presenta una serie de problemas que afectan a la calidad del producto y al proceso software. Con frecuencia, la documentación es considerada sólo como un volumen adicional de información disponible para la organización y el equipo de desarrollo, que ralentiza la ejecución del proyecto. En este sentido, el papel de la documentación en un proyecto se concibe como una de las actividades más costosas y que consumen más tiempo y que luego no se utiliza de forma extensiva. La documentación queda, en muchos casos, relegada a un segundo plano y es poco valorada frente a la comunicación cara a cara. Existe además una relación entre la calidad de la documentación y el proceso software. Se plantean dificultades en la adopción de buenas prácticas de proceso software y el impacto del exceso de documentación percibido por parte de los gestores de proyectos en los que se quiere abordad un programa de mejora del proceso software. Recordemos que la calidad de la documentación está muy relacionada con la utilización de la misma que puedan hacer los desarrolladores. Esta tesis aborda el problema planteando un cambio de punto de vista en el proceso software, en el que la documentación pasa de ser un sub producto de las actividades y tareas del proceso a ser el elemento que vertebra el propio proceso. En este nuevo punto de vista, la definición de los propios documentos, sus propiedades y relaciones permiten establecer y guiar procesos software de cualquier tipo. Para ello, desarrolla un metamodelo para definición de metodologías centradas en documentos. Este metamodelo se confronta con una serie atributos de calidad de la documentación software para comprobar que existe una mejora sobre estos, y, por consiguiente se mejora la calidad de la documentación software en general. Por último se utiliza este metamodelo centrado en documentos para describir una metodología ágil (Scrum) y validar la capacidad y flexibilidad del metamodelo utilizando el cambio de punto de vista sobre el proceso software planteado en esta tesis. ABSTRACT The documentation in software projects has a number of problems affecting the quality of the product and the software process. Often, documentation is considered only as an additional volume of information available to the organization and development team, which slows project execution. In this sense, the role of documentation in a project is conceived as one of the most expensive activities and more time-consuming and then not used extensively. The documentation is, in many cases, relegated to the background and is undervalued compared to face-to-face communication. There is also a relationship between the quality of the documentation and software process. There are difficulties in adopting good practices of software process and the impact of excess documentation perceived by project managers in Software Process Improvement activities. We have to remember that quality of the documentation is closely related to the use of it that can make developers. This thesis addresses the problem considering a change of view on the software process, in which the documentation happens to be a by-product of the activities and tasks of the process to be the element that structures the process itself. Through this new view, the definition of the documents themselves, their properties and relationships, allow us to establish processes and guidance for develop software of any kind. To achieve this target, a metamodel for defining document-centric methodologies has been developed. This metamodel confronts a number of quality attributes software documentation to prove that there is an improvement on these, and therefore the quality of the software documentation is improved. Finally this document-centric metamodel is used to describe an agile methodology (Scrum) to validate the capability and flexibility of the metamodel, using the proposed change of view on the software process described in this thesis.

Development of an Elevated Temperature Loop Heat Pipe for Space Applications and Investigation of Non Condensable Gas Impact on its Performance

Un caloducto en bucle cerrado o Loop Heat Pipe (LHP) es un dispositivo de transferencia de calor cuyo principio de operación se basa en la evaporación/condensación de un fluido de trabajo, que es bombeado a través de un circuito cerrado gracias a fuerzas de capilaridad. Gracias a su flexibilidad, su baja masa y su mínimo (incluso nulo) consumo de potencia, su principal aplicación ha sido identificada como parte del subsistema de control térmico de vehículos espaciales. En el presente trabajo se ha desarrollado un LHP capaz de funcionar eficientemente a temperaturas de hasta 125 oC, siguiendo la actual tendencia de los equipos a bordo de satélites de incrementar su temperatura de operación. En la selección del diseño optimo para dicho LHP, la compatibilidad entre materiales y fluido de trabajo se identificó como uno de los puntos clave. Para seleccionar la mejor combinación, se llevó a cabo una exhaustiva revisión del estado del arte, además de un estudio especifico que incluía el desarrollo de un banco de ensayos de compatibilidad. Como conclusión, la combinación seleccionada como la candidata idónea para ser integrada en el LHP capaz de operar hasta 125 oC fue un evaporador de acero inoxidable, líneas de titanio y amoniaco como fluido de trabajo. En esa línea se diseñó y fabricó un prototipo para ensayos y se desarrolló un modelo de simulación con EcosimPro para evaluar sus prestaciones. Se concluyó que el diseño era adecuado para el rango de operación definido. La incompatibilidad entre el fluido de trabajo y los materiales del LHP está ligada a la generación de gases no condensables. Para un estudio más detallado de los efectos de dichos gases en el funcionamiento del LHP se analizó su comportamiento con diferentes cantidades de nitrógeno inyectadas en su cámara de compensación, simulando un gas no condensable formado en el interior del dispositivo. El estudio se basó en el análisis de las temperaturas medidas experimentalmente a distintos niveles de potencia y temperatura de sumidero o fuente fría. Adicionalmente, dichos resultados se compararon con las predicciones obtenidas por medio del modelo en EcosimPro. Las principales conclusiones obtenidas fueron dos. La primera indica que una cantidad de gas no condensable más de dos veces mayor que la cantidad generada al final de la vida de un satélite típico de telecomunicaciones (15 años) tiene efectos casi despreciables en el funcionamiento del LHP. La segunda es que el principal efecto del gas no condensable es una disminución de la conductancia térmica, especialmente a bajas potencias y temperaturas de sumidero. El efecto es más significativo cuanto mayor es la cantidad de gas añadida. Asimismo, durante la campaña de ensayos se observó un fenómeno no esperado para grandes cantidades de gas no condensable. Dicho fenómeno consiste en un comportamiento oscilatorio, detectado tanto en los ensayos como en la simulación. Este efecto es susceptible de una investigación más profunda y los resultados obtenidos pueden constituir la base para dicha tarea. ABSTRACT Loop Heat Pipes (LHPs) are heat transfer devices whose operating principle is based on the evaporation/condensation of a working fluid, and which use capillary pumping forces to ensure the fluid circulation. Thanks to their flexibility, low mass and minimum (even null) power consumption, their main application has been identified as part of the thermal control subsystem in spacecraft. In the present work, an LHP able to operate efficiently up to 125 oC has been developed, which is in line with the current tendency of satellite on-board equipment to increase their operating temperatures. In selecting the optimal LHP design for the elevated temperature application, the compatibility between the materials and working fluid has been identified as one of the main drivers. An extensive literature review and a dedicated trade-off were performed, in order to select the optimal combination of fluids and materials for the LHP. The trade-off included the development of a dedicated compatibility test stand. In conclusion, the combination of stainless steel evaporator, titanium piping and ammonia as working fluid was selected as the best candidate to operate up to 125 oC. An LHP prototype was designed and manufactured and a simulation model in EcosimPro was developed to evaluate its performance. The first conclusion was that the defined LHP was suitable for the defined operational range. Incompatibility between the working fluid and LHP materials is linked to Non Condensable Gas (NCG) generation. Therefore, the behaviour of the LHP developed with different amounts of nitrogen injected in its compensation chamber to simulate NCG generation, was analyzed. The LHP performance was studied by analysis of the test results at different temperatures and power levels. The test results were also compared to simulations in EcosimPro. Two additional conclusions can be drawn: (i) the effects of an amount of more than two times the expected NCG at the end of life of a typical telecommunications satellite (15 years) is almost negligible on the LHP operation, and (ii) the main effect of the NCG is a decrease in the LHP thermal conductance, especially at low temperatures and low power levels. This decrease is more significant with the progressive addition of NCG. An unexpected phenomenon was observed in the LHP operation with large NCG amounts. Namely, an oscillatory behaviour, which was observed both in the tests and the simulation. This effect provides the basis for further studies concerning oscillations in LHPs.

Large scale multiphysics modeling of neurites

Situado en el límite entre Ingeniería, Informática y Biología, la mecánica computacional de las neuronas aparece como un nuevo campo interdisciplinar que potencialmente puede ser capaz de abordar problemas clínicos desde una perspectiva diferente. Este campo es multiescala por naturaleza, yendo desde la nanoescala (como, por ejemplo, los dímeros de tubulina) a la macroescala (como, por ejemplo, el tejido cerebral), y tiene como objetivo abordar problemas que son complejos, y algunas veces imposibles, de estudiar con medios experimentales. La modelización computacional ha sido ampliamente empleada en aplicaciones Neurocientíficas tan diversas como el crecimiento neuronal o la propagación de los potenciales de acción compuestos. Sin embargo, en la mayoría de los enfoques de modelización hechos hasta ahora, la interacción entre la célula y el medio/estímulo que la rodea ha sido muy poco explorada. A pesar de la tremenda importancia de esa relación en algunos desafíos médicos—como, por ejemplo, lesiones traumáticas en el cerebro, cáncer, la enfermedad del Alzheimer—un puente que relacione las propiedades electrofisiológicas-químicas y mecánicas desde la escala molecular al nivel celular todavía no existe. Con ese objetivo, esta investigación propone un marco computacional multiescala particularizado para dos escenarios respresentativos: el crecimiento del axón y el acomplamiento electrofisiológicomecánico de las neuritas. En el primer caso, se explora la relación entre los constituyentes moleculares del axón durante su crecimiento y sus propiedades mecánicas resultantes, mientras que en el último, un estímulo mecánico provoca deficiencias funcionales a nivel celular como consecuencia de sus alteraciones electrofisiológicas-químicas. La modelización computacional empleada en este trabajo es el método de las diferencias finitas, y es implementada en un nuevo programa llamado Neurite. Aunque el método de los elementos finitos es también explorado en parte de esta investigación, el método de las diferencias finitas tiene la flexibilidad y versatilidad necesaria para implementar mode los biológicos, así como la simplicidad matemática para extenderlos a simulaciones a gran escala con un coste computacional bajo. Centrándose primero en el efecto de las propiedades electrofisiológicas-químicas sobre las propiedades mecánicas, una versión adaptada de Neurite es desarrollada para simular la polimerización de los microtúbulos en el crecimiento del axón y proporcionar las propiedades mecánicas como función de la ocupación de los microtúbulos. Después de calibrar el modelo de crecimiento del axón frente a resultados experimentales disponibles en la literatura, las características mecánicas pueden ser evaluadas durante la simulación. Las propiedades mecánicas del axón muestran variaciones dramáticas en la punta de éste, donde el cono de crecimiento soporta las señales químicas y mecánicas. Bansándose en el conocimiento ganado con el modelo de diferencias finitas, y con el objetivo de ir de 1D a 3D, este esquema preliminar pero de una naturaleza innovadora allana el camino a futuros estudios con el método de los elementos finitos. Centrándose finalmente en el efecto de las propiedades mecánicas sobre las propiedades electrofisiológicas- químicas, Neurite es empleado para relacionar las cargas mecánicas macroscópicas con las deformaciones y velocidades de deformación a escala microscópica, y simular la propagación de la señal eléctrica en las neuritas bajo carga mecánica. Las simulaciones fueron calibradas con resultados experimentales publicados en la literatura, proporcionando, por tanto, un modelo capaz de predecir las alteraciones de las funciones electrofisiológicas neuronales bajo cargas externas dañinas, y uniendo lesiones mecánicas con las correspondientes deficiencias funcionales. Para abordar simulaciones a gran escala, aunque otras arquitecturas avanzadas basadas en muchos núcleos integrados (MICs) fueron consideradas, los solvers explícito e implícito se implementaron en unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Estudios de escalabilidad fueron llevados acabo para ambas implementaciones mostrando resultados prometedores para casos de simulaciones extremadamente grandes con GPUs. Esta tesis abre la vía para futuros modelos mecánicos con el objetivo de unir las propiedades electrofisiológicas-químicas con las propiedades mecánicas. El objetivo general es mejorar el conocimiento de las comunidades médicas y de bioingeniería sobre la mecánica de las neuronas y las deficiencias funcionales que aparecen de los daños producidos por traumatismos mecánicos, como lesiones traumáticas en el cerebro, o enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad del Alzheimer. ABSTRACT Sitting at the interface between Engineering, Computer Science and Biology, Computational Neuron Mechanics appears as a new interdisciplinary field potentially able to tackle clinical problems from a new perspective. This field is multiscale by nature, ranging from the nanoscale (e.g., tubulin dimers) to the macroscale (e.g., brain tissue), and aims at tackling problems that are complex, and sometime impossible, to study through experimental means. Computational modeling has been widely used in different Neuroscience applications as diverse as neuronal growth or compound action potential propagation. However, in the majority of the modeling approaches done in this field to date, the interactions between the cell and its surrounding media/stimulus have been rarely explored. Despite of the tremendous importance of such relationship in several medical challenges—e.g., traumatic brain injury (TBI), cancer, Alzheimer’s disease (AD)—a bridge between electrophysiological-chemical and mechanical properties of neurons from the molecular scale to the cell level is still lacking. To this end, this research proposes a multiscale computational framework particularized for two representative scenarios: axon growth and electrophysiological-mechanical coupling of neurites. In the former case, the relation between the molecular constituents of the axon during its growth and its resulting mechanical properties is explored, whereas in the latter, a mechanical stimulus provokes functional deficits at cell level as a consequence of its electrophysiological-chemical alterations. The computational modeling approach chosen in this work is the finite difference method (FDM), and was implemented in a new program called Neurite. Although the finite element method (FEM) is also explored as part of this research, the FDM provides the necessary flexibility and versatility to implement biological models, as well as the mathematical simplicity to extend them to large scale simulations with a low computational cost. Focusing first on the effect of electrophysiological-chemical properties on the mechanical proper ties, an adaptation of Neurite was developed to simulate microtubule polymerization in axonal growth and provide the axon mechanical properties as a function of microtubule occupancy. After calibrating the axon growth model against experimental results available in the literature, the mechanical characteristics can be tracked during the simulation. The axon mechanical properties show dramatic variations at the tip of the axon, where the growth cone supports the chemical and mechanical signaling. Based on the knowledge gained from the FDM scheme, and in order to go from 1D to 3D, this preliminary yet novel scheme paves the road for future studies with FEM. Focusing then on the effect of mechanical properties on the electrophysiological-chemical properties, Neurite was used to relate macroscopic mechanical loading to microscopic strains and strain rates, and simulate the electrical signal propagation along neurites under mechanical loading. The simulations were calibrated against experimental results published in the literature, thus providing a model able to predict the alteration of neuronal electrophysiological function under external damaging load, and linking mechanical injuries to subsequent acute functional deficits. To undertake large scale simulations, although other state-of-the-art architectures based on many integrated cores (MICs) were considered, the explicit and implicit solvers were implemented for central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs). Scalability studies were done for both implementations showing promising results for extremely large scale simulations with GPUs. This thesis opens the avenue for future mechanical modeling approaches aimed at linking electrophysiological- chemical properties to mechanical properties. Its overarching goal is to enhance the bioengineering and medical communities knowledge on neuronal mechanics and functional deficits arising from damages produced by direct mechanical insults, such as TBI, or neurodegenerative evolving illness, such as AD.

Repuesta ferro-piezoeléctrica de KNN-LTS poroso

La obtención de materiales monofásicos con respuesta ferroeléctrica y (anti-)ferromagnética simultánea y acoplada resulta problemática debido a limitaciones intrínsecas de tipo físico, estructural y electrónico. En este sentido una alternativa más realista, y en cierto modo con mayor flexibilidad a la hora de diseñar futuros dispositivos multiferroicos, consiste en preparar materiales compuestos en los cuales el acoplamiento magnetoeléctrico se puede alcanzar explotando los efectos interfaciales entre fases disimilares. Tal es el caso de los materiales compuestos basados en BaTiO3 (fase ferroeléctrica) y NiFe2O4 (fase magnética), que ya se han empezado a preparar fundamentalmente por medio de técnicas de deposición altamente energéticas. Sin embargo de cara a su aplicación práctica, sería interesante poder preparar esos materiales por métodos más sostenibles y menos costosos. De acuerdo con ello, en este trabajo se presenta un estudio preliminar en torno a la evolución microestructural experimentada por los materiales basados en NiFe2O4-BaTiO3 cuando son preparados mediante una técnica de procesamiento suave en disolución como es la síntesis hidrotermal. En concreto se ha analizado la influencia que diversos parámetros característicos del procesamiento hidrotermal pueden tener sobre la generación y distribución de fases e interfases durante la posterior consolidación térmica de estos materiales compuestos.

Adapting mode switches into the hierarchical scheduling

Mode switches are used to partition the system’s behavior into different modes to reduce the complexity of large embedded systems. Such systems operate in multiple modes in which each one corresponds to a specific application scenario; these are called Multi-Mode Systems (MMS). A different piece of software is normally executed for each mode. At any given time, the system can be in one of the predefined modes and then be switched to another as a result of a certain condition. A mode switch mechanism (or mode change protocol) is used to shift the system from one mode to another at run-time. In this thesis we have used a hierarchical scheduling framework to implement a multi-mode system called Multi-Mode Hierarchical Scheduling Framework (MMHSF). A two-level Hierarchical Scheduling Framework (HSF) has already been implemented in an open source real-time operating system, FreeRTOS, to support temporal isolation among real-time components. The main contribution of this thesis is the extension of the HSF featuring a multimode feature with an emphasis on making minimal changes in the underlying operating system (FreeRTOS) and its HSF implementation. Our implementation uses fixed-priority preemptive scheduling at both local and global scheduling levels and idling periodic servers. It also now supports different modes of the system which can be switched at run-time. Each subsystem and task exhibit different timing attributes according to mode, and upon a Mode Change Request (MCR) the task-set and timing interfaces of the entire system (including subsystems and tasks) undergo a change. A Mode Change Protocol specifies precisely how the system-mode will be changed. However, an application may not only need to change a mode but also a different mode change protocol semantic. For example, the mode change from normal to shutdown can allow all the tasks to be completed before the mode itself is changed, while changing a mode from normal to emergency may require aborting all tasks instantly. In our work, both the system mode and the mode change protocol can be changed at run-time. We have implemented three different mode change protocols to switch from one mode to another: the Suspend/resume protocol, the Abort protocol, and the Complete protocol. These protocols increase the flexibility of the system, allowing users to select the way they want to switch to a new mode. The implementation of MMHSF is tested and evaluated on an AVR-based 32 bit board EVK1100 with an AVR32UC3A0512 micro-controller. We have tested the behavior of each system mode and for each mode change protocol. We also provide the results for the performance measures of all mode change protocols in the thesis. RESUMEN Los conmutadores de modo son usados para particionar el comportamiento del sistema en diferentes modos, reduciendo así la complejidad de grandes sistemas empotrados. Estos sistemas tienen multiples modos de operación, cada uno de ellos correspondiente a distintos escenarios y para distintas aplicaciones; son llamados Sistemas Multimodales (o en inglés “Multi-Mode Systems” o MMS). Normalmente cada modo ejecuta una parte de código distinto. En un momento dado el sistema, que está en un modo concreto, puede ser cambiado a otro modo distinto como resultado de alguna condicion impuesta previamente. Los mecanismos de cambio de modo (o protocolos de cambio de modo) son usados para mover el sistema de un modo a otro durante el tiempo de ejecución. En este trabajo se ha usado un modelo de sistema operativo para implementar un sistema multimodo llamado MMHSF, siglas en inglés correspondientes a (Multi-Mode Hierarchical Scheduling Framework). Este sistema está basado en el HSF (Hierarchical Scheduling Framework), un modelo de sistema operativo con jerarquía de dos niveles, implementado en un sistema operativo en tiempo real de libre distribución llamado FreeRTOS, capaz de permitir el aislamiento temporal entre componentes. La principal contribución de este trabajo es la ampliación del HSF convirtiendolo en un sistema multimodo realizando los cambios mínimos necesarios sobre el sistema operativo FreeRTOS y la implementación ya existente del HSF. Esta implementación usa un sistema de planificación de prioridad fija para ambos niveles de jerarquía, ocupando el tiempo entre tareas con un “modo reposo”. Además el sistema es capaz de cambiar de un modo a otro en tiempo de ejecución. Cada subsistema y tarea son capaces de tener distintos atributos de tiempo (prioridad, periodo y tiempo de ejecución) en función del modo. Bajo una demanda de cambio de modo (Mode Change Request MCR) se puede variar el set de tareas en ejecución, así como los atributos de los servidores y las tareas. Un protocolo de cambio de modo espeficica precisamente cómo será cambiado el sistema de un modo a otro. Sin embargo una aplicación puede requerir no solo un cambio de modo, sino que lo haga de una forma especifica. Por ejemplo, el cambio de modo de “normal” a “apagado” puede permitir a las tareas en ejecución ser finalizadas antes de que se complete la transición, pero sin embargo el cambio de “normal” a “emergencia” puede requerir abortar todas las tareas instantaneamente. En este trabajo ambas características, tanto el modo como el protocolo de cambio, pueden ser cambiadas en tiempo de ejecución, pero deben ser previamente definidas por el desarrollador. Han sido definidos tres protocolos de cambios: el protocolo “suspender/continuar”, protocolo “abortar” y el protocolo “completar”. Estos protocolos incrementan la flexibilidad del sistema, permitiendo al usuario seleccionar de que forma quieren cambiar hacia el nuevo modo. La implementación del MMHSF ha sido testada y evaluada en una placa AVR EVK1100, con un micro-controlador AVR32UC3A0. Se ha comprobado el comportamiento de los distintos modos para los distintos protocolos, definidos previamente. Como resultado se proporcionan las medidades de rendimiento de los distintos protocolos de cambio de modo.

Diseño y ensayos en tierra de paneles solares y baterías para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite power subsystem (solar panels and battery)

Las principal conclusión que se puede obtener tras el estudio es que el satélite, tal y como se ha tenido en cuenta, es perfectamente funcional desde el punto de vista eléctrico. Por la parte de la generación de potencia, los paneles son capaces de ofreces una cantidad tal como para que aproximadamente la mitad (en el caso de funcionamiento normal) de esta potencia sea destinada a la carga útil. Además, incluso en los modos de fallo definidos, el valor de potencia dedicada a la carga útil, es suficientemente alta como para que merezca la pena mantener el satélite operativo. Respecto de las baterías, se puede observar por su comportamiento que están, sobredimensionadas y por ello actúan como un elemento regulador del sistema completo, ya que tiene un amplio margen de trabajo por el cual se puede modificar el funcionamiento general. Y esto se demuestra no sólo en cuanto al estado de carga, que para el perfil de consumo constante y el de cuatro pulsos de 120 W por día se mantiene siempre por encima del 99%, si no también en términos de charging rate, el cual se está siempre dentro de los límites establecidos por el fabricante, asegurando una vida operativa acorde con la nominal. Por último, sobre el propio método de simulación se puede extraer que aun no siendo la mejor plataforma donde estudiar estos comportamientos. Presenta el inconveniente de que, en ciertas partes, restringe la flexibilidad a la hora de cambiar múltiples condiciones al mismo tiempo, pero a cambio permite un estudio bastante amplio con un requisito de conocimientos y de complejidad bajo, de manera que habilita a cualquier estudiante a llevar a cabo estudios similares.

Distributed control strategies for photovoltaic systems in urban environments

Este trabajo es una contribución a los sistemas fotovoltaicos (FV) con seguimiento distribuido del punto de máxima potencia (DMPPT), una topología que se caracteriza porque lleva a cabo el MPPT a nivel de módulo, al contrario de las topologías más tradicionales que llevan a cabo el MPPT para un número más elevado de módulos, pudiendo ser hasta cientos de módulos. Las dos tecnologías DMPPT que existen en el mercado son conocidos como microinversores y optimizadores de potencia, y ofrecen ciertas ventajas sobre sistemas de MPPT central como: mayor producción en situaciones de mismatch, monitorización individual de cada módulo, flexibilidad de diseño, mayor seguridad del sistema, etc. Aunque los sistemas DMPPT no están limitados a los entornos urbanos, se ha enfatizado en el título ya que es su mercado natural, siendo difícil una justificación de su sobrecoste en grandes huertas solares en suelo. Desde el año 2010 el mercado de estos sistemas ha incrementado notablemente y sigue creciendo de una forma continuada. Sin embargo, todavía falta un conocimiento profundo de cómo funcionan estos sistemas, especialmente en el caso de los optimizadores de potencia, de las ganancias energéticas esperables en condiciones de mismatch y de las posibilidades avanzadas de diagnóstico de fallos. El principal objetivo de esta tesis es presentar un estudio completo de cómo funcionan los sistemas DMPPT, sus límites y sus ventajas, así como experimentos varios que verifican la teoría y el desarrollo de herramientas para valorar las ventajas de utilizar DMPPT en cada instalación. Las ecuaciones que modelan el funcionamiento de los sistemas FVs con optimizadores de potencia se han desarrollado y utilizado para resaltar los límites de los mismos a la hora de resolver ciertas situaciones de mismatch. Se presenta un estudio profundo sobre el efecto de las sombras en los sistemas FVs: en la curva I-V y en los algoritmos MPPT. Se han llevado a cabo experimentos sobre el funcionamiento de los algoritmos MPPT en situaciones de sombreado, señalando su ineficiencia en estas situaciones. Un análisis de la ventaja del uso de DMPPT frente a los puntos calientes es presentado y verificado. También se presenta un análisis sobre las posibles ganancias en potencia y energía con el uso de DMPPT en condiciones de sombreado y este también es verificado experimentalmente, así como un breve estudio de su viabilidad económica. Para ayudar a llevar a cabo todos los análisis y experimentos descritos previamente se han desarrollado una serie de herramientas software. Una siendo un programa en LabView para controlar un simulador solar y almacenar las medidas. También se ha desarrollado un programa que simula curvas I-V de módulos y generador FVs afectados por sombras y este se ha verificado experimentalmente. Este mismo programa se ha utilizado para desarrollar un programa todavía más completo que estima las pérdidas anuales y las ganancias obtenidas con DMPPT en instalaciones FVs afectadas por sombras. Finalmente, se han desarrollado y verificado unos algoritmos para diagnosticar fallos en sistemas FVs con DMPPT. Esta herramienta puede diagnosticar los siguientes fallos: sombras debido a objetos fijos (con estimación de la distancia al objeto), suciedad localizada, suciedad general, posible punto caliente, degradación de módulos y pérdidas en el cableado de DC. Además, alerta al usuario de las pérdidas producidas por cada fallo y no requiere del uso de sensores de irradiancia y temperatura. ABSTRACT This work is a contribution to photovoltaic (PV) systems with distributed maximum power point tracking (DMPPT), a system topology characterized by performing the MPPT at module level, instead of the more traditional topologies which perform MPPT for a larger number of modules. The two DMPPT technologies available at the moment are known as microinverters and power optimizers, also known as module level power electronics (MLPE), and they provide certain advantages over central MPPT systems like: higher energy production in mismatch situations, monitoring of each individual module, system design flexibility, higher system safety, etc. Although DMPPT is not limited to urban environments, it has been emphasized in the title as it is their natural market, since in large ground-mounted PV plants the extra cost is difficult to justify. Since 2010 MLPE have increased their market share steadily and continuing to grow steadily. However, there still lacks a profound understanding of how they work, especially in the case of power optimizers, the achievable energy gains with their use and the possibilities in failure diagnosis. The main objective of this thesis is to provide a complete understanding of DMPPT technologies: how they function, their limitations and their advantages. A series of equations used to model PV arrays with power optimizers have been derived and used to point out limitations in solving certain mismatch situation. Because one of the most emphasized benefits of DMPPT is their ability to mitigate shading losses, an extensive study on the effects of shadows on PV systems is presented; both on the I-V curve and on MPPT algorithms. Experimental tests have been performed on the MPPT algorithms of central inverters and MLPE, highlighting their inefficiency in I-V curves with local maxima. An analysis of the possible mitigation of hot-spots with DMPPT is discussed and experimentally verified. And a theoretical analysis of the possible power and energy gains is presented as well as experiments in real PV systems. A short economic analysis of the benefits of DMPPT has also been performed. In order to aide in the previous task, a program which simulates I-V curves under shaded conditions has been developed and experimentally verified. This same program has been used to develop a software tool especially designed for PV systems affected by shading, which estimates the losses due to shading and the energy gains obtained with DMPPT. Finally, a set of algorithms for diagnosing system faults in PV systems with DMPPT has been developed and experimentally verified. The tool can diagnose the following failures: fixed object shading (with distance estimation), localized dirt, generalized dirt, possible hot-spots, module degradation and excessive losses in DC cables. In addition, it alerts the user of the power losses produced by each failure and classifies the failures by their severity and it does not require the use of irradiance or temperature sensors.

Desarrollo de un servicio de enlace entre HL7 RIM y terminologías médicas

Hoy día, en la era post genómica, los ensayos clínicos de cáncer implican la colaboración de diversas instituciones. El análisis multicéntrico y retrospectivo requiere de métodos avanzados para garantizar la interoperabilidad semántica. En este escenario, el objetivo de los proyectos EURECA e INTEGRATE es proporcionar una infraestructura para compartir conocimientos y datos de los ensayos clínicos post genómicos de cáncer. Debido en gran parte a la gran complejidad de los procesos colaborativos de las instituciones, provoca que la gestión de una información tan heterogénea sea un desafío dentro del área médica. Las tecnologías semánticas y las investigaciones relacionadas están centradas en búsqueda de conocimiento de la información extraída, permitiendo una mayor flexibilidad y usabilidad de los datos extraidos. Debido a la falta de estándares adoptados por estas entidades y la complejidad de los datos procedentes de ensayos clínicos, una capacidad semántica es esencial para asegurar la integración homogénea de esta información. De otra manera, los usuarios finales necesitarán conocer cada modelo y cada formato de dato de las instituciones participantes en cada estudio. Para proveer de una capa de interoperabilidad semántica, el primer paso es proponer un\Common Data Model" (CDM) que represente la información a almacenar, y un \Core Dataset" que permita el uso de múltiples terminologías como vocabulario compartido. Una vez que el \Core Dataset" y el CDM han sido seleccionados, la manera en la que realizar el mapping para unir los conceptos de una terminología dada al CDM, requiere de una mecanismo especial para realizar dicha labor. Dicho mecanismo, debe definir que conceptos de diferentes vocabularios pueden ser almacenados en determinados campos del modelo de datos, con la finalidad de crear una representación común de la información. El presente proyecto fin de grado, presenta el desarrollo de un servicio que implementa dicho mecanismo para vincular elementos de las terminologías médicas SNOMED CT, LOINC y HGNC, con objetos del \Health Level 7 Reference Information Model" (HL7 RIM). El servicio propuesto, y nombrado como TermBinding, sigue las recomendaciones del proyecto TermInfo del grupo HL7, pero también se tienen en cuenta cuestiones importantes que surgen al enlazar entre las citadas terminologas y el modelo de datos planteado. En este proceso de desarrollo de la interoperabilidad semántica en ensayos clínicos de cáncer, los datos de fuentes heterogéneas tienen que ser integrados, y es requisito que se deba habilitar una interfaz de acceso homogéneo a toda esta información. Para poder hacer unificar los datos provenientes de diferentes aplicaciones y bases de datos, es esencial representar todos estos datos de una manera canónica o normalizada. La estandarización de un determinado concepto de SNOMED CT, simplifica las recomendaciones del proyecto TermInfo del grupo HL7, utilizadas para poder almacenar cada concepto en el modelo de datos. Siguiendo este enfoque, la interoperabilidad semántica es conseguida con éxito para conceptos SNOMED CT, sean o no post o pre coordinados, así como para las terminologías LOINC y HGNC. Los conceptos son estandarizados en una forma normal que puede ser usada para unir los datos al \Common Data Model" basado en el RIM de HL7. Aunque existen limitaciones debido a la gran heterogeneidad de los datos a integrar, un primer prototipo del servicio propuesto se está utilizando con éxito en el contexto de los proyectos EURECA e INTEGRATE. Una mejora en la interoperabilidad semántica de los datos de ensayos clínicos de cáncer tiene como objetivo mejorar las prácticas en oncología.