Improving the management of water and nitrogen resources in cropping systems by using simulation models

Los modelos de simulación de cultivos permiten analizar varias combinaciones de laboreo-rotación y explorar escenarios de manejo. El modelo DSSAT fue evaluado bajo condiciones de secano en un experimento de campo de 16 años en la semiárida España central. Se evaluó el efecto del sistema de laboreo y las rotaciones basadas en cereales de invierno, en el rendimiento del cultivo y la calidad del suelo. Los modelos CERES y CROPGRO se utilizaron para simular el crecimiento y rendimiento del cultivo, mientras que el modelo DSSAT CENTURY se utilizó en las simulaciones de SOC y SN. Tanto las observaciones de campo como las simulaciones con CERES-Barley, mostraron que el rendimiento en grano de la cebada era mas bajo para el cereal continuo (BB) que para las rotaciones de veza (VB) y barbecho (FB) en ambos sistemas de laboreo. El modelo predijo más nitrógeno disponible en el laboreo convencional (CT) que en el no laboreo (NT) conduciendo a un mayor rendimiento en el CT. El SOC y el SN en la capa superficial del suelo, fueron mayores en NT que en CT, y disminuyeron con la profundidad en los valores tanto observados como simulados. Las mejores combinaciones para las condiciones de secano estudiadas fueron CT-VB y CT-FB, pero CT presentó menor contenido en SN y SOC que NT. El efecto beneficioso del NT en SOC y SN bajo condiciones Mediterráneas semiáridas puede ser identificado por observaciones de campo y por simulaciones de modelos de cultivos. La simulación del balance de agua en sistemas de cultivo es una herramienta útil para estudiar como el agua puede ser utilizado eficientemente. La comparación del balance de agua de DSSAT , con una simple aproximación “tipping bucket”, con el modelo WAVE más mecanicista, el cual integra la ecuación de Richard , es un potente método para valorar el funcionamiento del modelo. Los parámetros de suelo fueron calibrados usando el método de optimización global Simulated Annealing (SA). Un lisímetro continuo de pesada en suelo desnudo suministró los valores observados de drenaje y evapotranspiración (ET) mientras que el contenido de agua en el suelo (SW) fue suministrado por sensores de capacitancia. Ambos modelos funcionaron bien después de la optimización de los parámetros de suelo con SA, simulando el balance de agua en el suelo para el período de calibración. Para el período de validación, los modelos optimizados predijeron bien el contenido de agua en el suelo y la evaporación del suelo a lo largo del tiempo. Sin embargo, el drenaje fue predicho mejor con WAVE que con DSSAT, el cual presentó mayores errores en los valores acumulados. Esto podría ser debido a la naturaleza mecanicista de WAVE frente a la naturaleza más funcional de DSSAT. Los buenos resultados de WAVE indican que, después de la calibración, este puede ser utilizado como "benchmark" para otros modelos para periodos en los que no haya medidas de campo del drenaje. El funcionamiento de DSSAT-CENTURY en la simulación de SOC y N depende fuertemente del proceso de inicialización. Se propuso como método alternativo (Met.2) la inicialización de las fracciones de SOC a partir de medidas de mineralización aparente del suelo (Napmin). El Met.2 se comparó con el método de inicialización de Basso et al. (2011) (Met.1), aplicando ambos métodos a un experimento de campo de 4 años en un área en regadío de España central. Nmin y Napmin fueron sobreestimados con el Met.1, ya que la fracción estable obtenida (SOC3) en las capas superficiales del suelo fue más baja que con Met.2. El N lixiviado simulado fue similar en los dos métodos, con buenos resultados en los tratamientos de barbecho y cebada. El Met.1 subestimó el SOC en la capa superficial del suelo cuando se comparó con una serie observada de 12 años. El crecimiento y rendimiento del cultivo fueron adecuadamente simulados con ambos métodos, pero el N en la parte aérea de la planta y en el grano fueron sobreestimados con el Met.1. Los resultados variaron significativamente con las fracciones iniciales de SOC, resaltando la importancia del método de inicialización. El Met.2 ofrece una alternativa para la inicialización del modelo CENTURY, mejorando la simulación de procesos de N en el suelo. La continua emergencia de nuevas variedades de híbridos modernos de maíz limita la aplicación de modelos de simulación de cultivos, ya que estos nuevos híbridos necesitan ser calibrados en el campo para ser adecuados para su uso en los modelos. El desarrollo de relaciones basadas en la duración del ciclo, simplificaría los requerimientos de calibración facilitando la rápida incorporación de nuevos cultivares en DSSAT. Seis híbridos de maiz (FAO 300 hasta FAO 700) fueron cultivados en un experimento de campo de dos años en un área semiárida de regadío en España central. Los coeficientes genéticos fueron obtenidos secuencialmente, comenzando con los parámetros de desarrollo fenológico (P1, P2, P5 and PHINT), seguido de los parámetros de crecimiento del cultivo (G2 and G3). Se continuó el procedimiento hasta que la salida de las simulaciones estuvo en concordancia con las observaciones fenológicas de campo. Después de la calibración, los parámetros simulados se ajustaron bien a los parámetros observados, con bajos RMSE en todos los casos. Los P1 y P5 calibrados, incrementaron con la duración del ciclo. P1 fue una función lineal del tiempo térmico (TT) desde emergencia hasta floración y P5 estuvo linealmente relacionada con el TT desde floración a madurez. No hubo diferencias significativas en PHINT entre híbridos de FAO-500 a 700 , ya que tuvieron un número de hojas similar. Como los coeficientes fenológicos estuvieron directamente relacionados con la duración del ciclo, sería posible desarrollar rangos y correlaciones que permitan estimar dichos coeficientes a partir de la clasificación del ciclo. ABSTRACT Crop simulation models allow analyzing various tillage-rotation combinations and exploring management scenarios. DSSAT model was tested under rainfed conditions in a 16-year field experiment in semiarid central Spain. The effect of tillage system and winter cereal-based rotations on the crop yield and soil quality was evaluated. The CERES and CROPGRO models were used to simulate crop growth and yield, while the DSSAT CENTURY was used in the SOC and SN simulations. Both field observations and CERES-Barley simulations, showed that barley grain yield was lower for continuous cereal (BB) than for vetch (VB) and fallow (FB) rotations for both tillage systems. The model predicted higher nitrogen availability in the conventional tillage (CT) than in the no tillage (NT) leading to a higher yield in the CT. The SOC and SN in the top layer, were higher in NT than in CT, and decreased with depth in both simulated and observed values. The best combinations for the dry land conditions studied were CT-VB and CT-FB, but CT presented lower SN and SOC content than NT. The beneficial effect of NT on SOC and SN under semiarid Mediterranean conditions can be identified by field observations and by crop model simulations. The simulation of the water balance in cropping systems is a useful tool to study how water can be used efficiently. The comparison of DSSAT soil water balance, with a simpler “tipping bucket” approach, with the more mechanistic WAVE model, which integrates Richard’s equation, is a powerful method to assess model performance. The soil parameters were calibrated by using the Simulated Annealing (SA) global optimizing method. A continuous weighing lysimeter in a bare fallow provided the observed values of drainage and evapotranspiration (ET) while soil water content (SW) was supplied by capacitance sensors. Both models performed well after optimizing soil parameters with SA, simulating the soil water balance components for the calibrated period. For the validation period, the optimized models predicted well soil water content and soil evaporation over time. However, drainage was predicted better by WAVE than by DSSAT, which presented larger errors in the cumulative values. That could be due to the mechanistic nature of WAVE against the more functional nature of DSSAT. The good results from WAVE indicate that, after calibration, it could be used as benchmark for other models for periods when no drainage field measurements are available. The performance of DSSAT-CENTURY when simulating SOC and N strongly depends on the initialization process. Initialization of the SOC pools from apparent soil N mineralization (Napmin) measurements was proposed as alternative method (Met.2). Method 2 was compared to the Basso et al. (2011) initialization method (Met.1), by applying both methods to a 4-year field experiment in a irrigated area of central Spain. Nmin and Napmin were overestimated by Met.1, since the obtained stable pool (SOC3) in the upper layers was lower than from Met.2. Simulated N leaching was similar for both methods, with good results in fallow and barley treatments. Method 1 underestimated topsoil SOC when compared with a 12-year observed serial. Crop growth and yield were properly simulated by both methods, but N in shoots and grain were overestimated by Met.1. Results varied significantly with the initial SOC pools, highlighting the importance of the initialization procedure. Method 2 offers an alternative to initialize the CENTURY model, enhancing the simulation of soil N processes. The continuous emergence of new varieties of modern maize hybrids limits the application of crop simulation models, since these new hybrids should be calibrated in the field to be suitable for model use. The development of relationships based on the cycle duration, would simplify the calibration requirements facilitating the rapid incorporation of new cultivars into DSSAT. Six maize hybrids (FAO 300 through FAO 700) were grown in a 2-year field experiment in a semiarid irrigated area of central Spain. Genetic coefficients were obtained sequentially, starting with the phenological development parameters (P1, P2, P5 and PHINT), followed by the crop growth parameters (G2 and G3). The procedure was continued until the simulated outputs were in good agreement with the field phenological observations. After calibration, simulated parameters matched observed parameters well, with low RMSE in most cases. The calibrated P1 and P5 increased with the duration of the cycle. P1 was a linear function of the thermal time (TT) from emergence to silking and P5 was linearly related with the TT from silking to maturity . There were no significant differences in PHINT between hybrids from FAO-500 to 700 , as they had similar leaf number. Since phenological coefficients were directly related with the cycle duration, it would be possible to develop ranges and correlations which allow to estimate such coefficients from the cycle classification.

Evaluating social choice techniques into intelligent environments by agent based social simulation

The primary hypothesis stated by this paper is that the use of social choice theory in Ambient Intelligence systems can improve significantly users satisfaction when accessing shared resources. A research methodology based on agent based social simulations is employed to support this hypothesis and to evaluate these benefits. The result is a six-fold contribution summarized as follows. Firstly, several considerable differences between this application case and the most prominent social choice application, political elections, have been found and described. Secondly, given these differences, a number of metrics to evaluate different voting systems in this scope have been proposed and formalized. Thirdly, given the presented application and the metrics proposed, the performance of a number of well known electoral systems is compared. Fourthly, as a result of the performance study, a novel voting algorithm capable of obtaining the best balance between the metrics reviewed is introduced. Fifthly, to improve the social welfare in the experiments, the voting methods are combined with cluster analysis techniques. Finally, the article is complemented by a free and open-source tool, VoteSim, which ensures not only the reproducibility of the experimental results presented, but also allows the interested reader to adapt the case study presented to different environments.

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

En la actualidad existe un gran conocimiento en la caracterización de rellenos hidráulicos, tanto en su caracterización estática, como dinámica. Sin embargo, son escasos en la literatura estudios más generales y globales de estos materiales, muy relacionados con sus usos y principales problemáticas en obras portuarias y mineras. Los procedimientos semi‐empíricos para la evaluación del efecto silo en las celdas de cajones portuarios, así como para el potencial de licuefacción de estos suelos durantes cargas instantáneas y terremotos, se basan en estudios donde la influencia de los parámetros que los rigen no se conocen en gran medida, dando lugar a resultados con considerable dispersión. Este es el caso, por ejemplo, de los daños notificados por el grupo de investigación del Puerto de Barcelona, la rotura de los cajones portuarios en el Puerto de Barcelona en 2007. Por estos motivos y otros, se ha decidido desarrollar un análisis para la evaluación de estos problemas mediante la propuesta de una metodología teórico‐numérica y empírica. El enfoque teórico‐numérico desarrollado en el presente estudio se centra en la determinación del marco teórico y las herramientas numéricas capaces de solventar los retos que presentan estos problemas. La complejidad del problema procede de varios aspectos fundamentales: el comportamiento no lineal de los suelos poco confinados o flojos en procesos de consolidación por preso propio; su alto potencial de licuefacción; la caracterización hidromecánica de los contactos entre estructuras y suelo (camino preferencial para el flujo de agua y consolidación lateral); el punto de partida de los problemas con un estado de tensiones efectivas prácticamente nulo. En cuanto al enfoque experimental, se ha propuesto una metodología de laboratorio muy sencilla para la caracterización hidromecánica del suelo y las interfaces, sin la necesidad de usar complejos aparatos de laboratorio o procedimientos excesivamente complicados. Este trabajo incluye por tanto un breve repaso a los aspectos relacionados con la ejecución de los rellenos hidráulicos, sus usos principales y los fenómenos relacionados, con el fin de establecer un punto de partida para el presente estudio. Este repaso abarca desde la evolución de las ecuaciones de consolidación tradicionales (Terzaghi, 1943), (Gibson, English & Hussey, 1967) y las metodologías de cálculo (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) hasta las contribuciones en relación al efecto silo (Ranssen, 1985) (Ravenet, 1977) y sobre el fenómeno de la licuefacción (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). Con motivo de este estudio se ha desarrollado exclusivamente un código basado en el método de los elementos finitos (MEF) empleando el programa MATLAB. Para ello, se ha esablecido un marco teórico (Biot, 1941) (Zienkiewicz & Shiomi, 1984) (Segura & Caron, 2004) y numérico (Zienkiewicz & Taylor, 1989) (Huerta & Rodríguez, 1992) (Segura & Carol, 2008) para resolver problemas de consolidación multidimensional con condiciones de contorno friccionales, y los correspondientes modelos constitutivos (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fiu & Liu, 2011). Asimismo, se ha desarrollado una metodología experimental a través de una serie de ensayos de laboratorio para la calibración de los modelos constitutivos y de la caracterización de parámetros índice y de flujo (Castro, 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies, 2006). Para ello se han empleado arenas de Hostun como material (relleno hidráulico) de referencia. Como principal aportación se incluyen una serie de nuevos ensayos de corte directo para la caracterización hidromecánica de la interfaz suelo – estructura de hormigón, para diferentes tipos de encofrados y rugosidades. Finalmente, se han diseñado una serie de algoritmos específicos para la resolución del set de ecuaciones diferenciales de gobierno que definen este problema. Estos algoritmos son de gran importancia en este problema para tratar el procesamiento transitorio de la consolidación de los rellenos hidráulicos, y de otros efectos relacionados con su implementación en celdas de cajones, como el efecto silo y la licuefacciones autoinducida. Para ello, se ha establecido un modelo 2D axisimétrico, con formulación acoplada u‐p para elementos continuos y elementos interfaz (de espesor cero), que tratan de simular las condiciones de estos rellenos hidráulicos cuando se colocan en las celdas portuarias. Este caso de estudio hace referencia clara a materiales granulares en estado inicial muy suelto y con escasas tensiones efectivas, es decir, con prácticamente todas las sobrepresiones ocasionadas por el proceso de autoconsolidación (por peso propio). Por todo ello se requiere de algoritmos numéricos específicos, así como de modelos constitutivos particulares, para los elementos del continuo y para los elementos interfaz. En el caso de la simulación de diferentes procedimientos de puesta en obra de los rellenos se ha requerido la modificacion de los algoritmos empleados para poder así representar numéricamente la puesta en obra de estos materiales, además de poder realizar una comparativa de los resultados para los distintos procedimientos. La constante actualización de los parámetros del suelo, hace también de este algoritmo una potente herramienta que permite establecer un interesante juego de perfiles de variables, tales como la densidad, el índice de huecos, la fracción de sólidos, el exceso de presiones, y tensiones y deformaciones. En definitiva, el modelo otorga un mejor entendimiento del efecto silo, término comúnmente usado para definir el fenómeno transitorio del gradiente de presiones laterales en las estructuras de contención en forma de silo. Finalmente se incluyen una serie de comparativas entre los resultados del modelo y de diferentes estudios de la literatura técnica, tanto para el fenómeno de las consolidaciones por preso propio (Fredlund, Donaldson & Gitirana, 2009) como para el estudio del efecto silo (Puertos del Estado, 2006, EuroCódigo (2006), Japan Tech, Stands. (2009), etc.). Para concluir, se propone el diseño de un prototipo de columna de decantación con paredes friccionales, como principal propuesta de futura línea de investigación. Wide research is nowadays available on the characterization of hydraulic fills in terms of either static or dynamic behavior. However, reported comprehensive analyses of these soils when meant for port or mining works are scarce. Moreover, the semi‐empirical procedures for assessing the silo effect on cells in floating caissons, and the liquefaction potential of these soils during sudden loads or earthquakes are based on studies where the underlying influence parameters are not well known, yielding results with significant scatter. This is the case, for instance, of hazards reported by the Barcelona Liquefaction working group, with the failure of harbor walls in 2007. By virtue of this, a complex approach has been undertaken to evaluate the problem by a proposal of numerical and laboratory methodology. Within a theoretical and numerical scope, the study is focused on the numerical tools capable to face the different challenges of this problem. The complexity is manifold; the highly non‐linear behavior of consolidating soft soils; their potentially liquefactable nature, the significance of the hydromechanics of the soil‐structure contact, the discontinuities as preferential paths for water flow, setting “negligible” effective stresses as initial conditions. Within an experimental scope, a straightforward laboratory methodology is introduced for the hydromechanical characterization of the soil and the interface without the need of complex laboratory devices or cumbersome procedures. Therefore, this study includes a brief overview of the hydraulic filling execution, main uses (land reclamation, filled cells, tailing dams, etc.) and the underlying phenomena (self‐weight consolidation, silo effect, liquefaction, etc.). It comprises from the evolution of the traditional consolidation equations (Terzaghi, 1943), (Gibson, English, & Hussey, 1967) and solving methodologies (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) to the contributions in terms of silo effect (Ranssen, 1895) (Ravenet, 1977) and liquefaction phenomena (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). The novelty of the study lies on the development of a Finite Element Method (FEM) code, exclusively formulated for this problem. Subsequently, a theoretical (Biot, 1941) (Zienkiewicz and Shiomi, 1984) (Segura and Carol, 2004) and numerical approach (Zienkiewicz and Taylor, 1989) (Huerta, A. & Rodriguez, A., 1992) (Segura, J.M. & Carol, I., 2008) is introduced for multidimensional consolidation problems with frictional contacts and the corresponding constitutive models (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fu & Liu, 2011). An experimental methodology is presented for the laboratory test and material characterization (Castro 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies 2006) using Hostun sands as reference hydraulic fill. A series of singular interaction shear tests for the interface calibration is included. Finally, a specific model algorithm for the solution of the set of differential equations governing the problem is presented. The process of consolidation and settlements involves a comprehensive simulation of the transient process of decantation and the build‐up of the silo effect in cells and certain phenomena related to self‐compaction and liquefaction. For this, an implementation of a 2D axi‐syimmetric coupled model with continuum and interface elements, aimed at simulating conditions and self‐weight consolidation of hydraulic fills once placed into floating caisson cells or close to retaining structures. This basically concerns a loose granular soil with a negligible initial effective stress level at the onset of the process. The implementation requires a specific numerical algorithm as well as specific constitutive models for both the continuum and the interface elements. The simulation of implementation procedures for the fills has required the modification of the algorithm so that a numerical representation of these procedures is carried out. A comparison of the results for the different procedures is interesting for the global analysis. Furthermore, the continuous updating of the model provides an insightful logging of variable profiles such as density, void ratio and solid fraction profiles, total and excess pore pressure, stresses and strains. This will lead to a better understanding of complex phenomena such as the transient gradient in lateral pressures due to silo effect in saturated soils. Interesting model and literature comparisons for the self‐weight consolidation (Fredlund, Donaldson, & Gitirana, 2009) and the silo effect results (Puertos del Estado (2006), EuroCode (2006), Japan Tech, Stands. (2009)). This study closes with the design of a decantation column prototype with frictional walls as the main future line of research.

Análisis y diseño de multiplicadores y mezcladores mediante el método de Monte Carlo en la banda de THz = Analysis and design of multipliers and mixers via Monte Carlo modelling at THz bands

La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz alberga una gran variedad de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, espectroscopíamolecular, medicina, seguridad, radar, etc. Los principales inconvenientes en el desarrollo de estas aplicaciones son los altos costes de producción de los sistemas trabajando a estas frecuencias, su costoso mantenimiento, gran volumen y baja fiabilidad. Entre las diferentes tecnologías a frecuencias de THz, la tecnología de los diodos Schottky juega un importante papel debido a su madurez y a la sencillez de estos dispositivos. Además, los diodos Schottky pueden operar tanto a temperatura ambiente como a temperaturas criogénicas, con altas eficiencias cuando se usan como multiplicadores y con moderadas temperaturas de ruido en mezcladores. El principal objetivo de esta tesis doctoral es analizar los fenómenos físicos responsables de las características eléctricas y del ruido en los diodos Schottky, así como analizar y diseñar circuitos multiplicadores y mezcladores en bandas milimétricas y submilimétricas. La primera parte de la tesis presenta un análisis de los fenómenos físicos que limitan el comportamiento de los diodos Schottky de GaAs y GaN y de las características del espectro de ruido de estos dispositivos. Para llevar a cabo este análisis, un modelo del diodo basado en la técnica de Monte Carlo se ha considerado como referencia debido a la elevada precisión y fiabilidad de este modelo. Además, el modelo de Monte Carlo permite calcular directamente el espectro de ruido de los diodos sin necesidad de utilizar ningún modelo analítico o empírico. Se han analizado fenómenos físicos como saturación de la velocidad, inercia de los portadores, dependencia de la movilidad electrónica con la longitud de la epicapa, resonancias del plasma y efectos no locales y no estacionarios. También se ha presentado un completo análisis del espectro de ruido para diodos Schottky de GaAs y GaN operando tanto en condiciones estáticas como variables con el tiempo. Los resultados obtenidos en esta parte de la tesis contribuyen a mejorar la comprensión de la respuesta eléctrica y del ruido de los diodos Schottky en condiciones de altas frecuencias y/o altos campos eléctricos. También, estos resultados han ayudado a determinar las limitaciones de modelos numéricos y analíticos usados en el análisis de la respuesta eléctrica y del ruido electrónico en los diodos Schottky. La segunda parte de la tesis está dedicada al análisis de multiplicadores y mezcladores mediante una herramienta de simulación de circuitos basada en la técnica de balance armónico. Diferentes modelos basados en circuitos equivalentes del dispositivo, en las ecuaciones de arrastre-difusión y en la técnica de Monte Carlo se han considerado en este análisis. El modelo de Monte Carlo acoplado a la técnica de balance armónico se ha usado como referencia para evaluar las limitaciones y el rango de validez de modelos basados en circuitos equivalentes y en las ecuaciones de arrastredifusión para el diseño de circuitos multiplicadores y mezcladores. Una notable característica de esta herramienta de simulación es que permite diseñar circuitos Schottky teniendo en cuenta tanto la respuesta eléctrica como el ruido generado en los dispositivos. Los resultados de las simulaciones presentados en esta parte de la tesis, tanto paramultiplicadores comomezcladores, se han comparado con resultados experimentales publicados en la literatura. El simulador que integra el modelo de Monte Carlo con la técnica de balance armónico permite analizar y diseñar circuitos a frecuencias superiores a 1 THz. ABSTRACT The terahertz region of the electromagnetic spectrum(100 GHz-10 THz) presents a wide range of applications such as radio-astronomy, molecular spectroscopy, medicine, security and radar, among others. The main obstacles for the development of these applications are the high production cost of the systems working at these frequencies, highmaintenance, high volume and low reliability. Among the different THz technologies, Schottky technology plays an important rule due to its maturity and the inherent simplicity of these devices. Besides, Schottky diodes can operate at both room and cryogenic temperatures, with high efficiency in multipliers and moderate noise temperature in mixers. This PhD. thesis is mainly concerned with the analysis of the physical processes responsible for the characteristics of the electrical response and noise of Schottky diodes, as well as the analysis and design of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter wavelengths. The first part of the thesis deals with the analysis of the physical phenomena limiting the electrical performance of GaAs and GaN Schottky diodes and their noise performance. To carry out this analysis, a Monte Carlo model of the diode has been used as a reference due to the high accuracy and reliability of this diode model at millimeter and submillimter wavelengths. Besides, the Monte Carlo model provides a direct description of the noise spectra of the devices without the necessity of any additional analytical or empirical model. Physical phenomena like velocity saturation, carrier inertia, dependence of the electron mobility on the epilayer length, plasma resonance and nonlocal effects in time and space have been analysed. Also, a complete analysis of the current noise spectra of GaAs and GaN Schottky diodes operating under static and time varying conditions is presented in this part of the thesis. The obtained results provide a better understanding of the electrical and the noise responses of Schottky diodes under high frequency and/or high electric field conditions. Also these results have helped to determine the limitations of numerical and analytical models used in the analysis of the electrical and the noise responses of these devices. The second part of the thesis is devoted to the analysis of frequency multipliers and mixers by means of an in-house circuit simulation tool based on the harmonic balance technique. Different lumped equivalent circuits, drift-diffusion and Monte Carlo models have been considered in this analysis. The Monte Carlo model coupled to the harmonic balance technique has been used as a reference to evaluate the limitations and range of validity of lumped equivalent circuit and driftdiffusion models for the design of frequency multipliers and mixers. A remarkable feature of this reference simulation tool is that it enables the design of Schottky circuits from both electrical and noise considerations. The simulation results presented in this part of the thesis for both multipliers and mixers have been compared with measured results available in the literature. In addition, the Monte Carlo simulation tool allows the analysis and design of circuits above 1 THz.

Vibro-acoustic analysis of spacecraft structures with thin air layers

Esta Tesis presenta un estudio sobre el comportamiento vibroacústico de estructuras espaciales que incluyen capas de aire delgadas, así como sobre su modelización numérica. Las capas de aire pueden constituir un elemento fundamental en estos sistemas, como paneles solares plegados, que se consideran el caso de estudio en este trabajo. Para evaluar la influencia de las capas de aire en la respuesta dinámica del sistema se presenta el uso de modelos unidimensionales. La modelización de estos sistemas se estudia para los rangos de baja y alta frecuencia. En el rango de baja frecuencia se propone un conjunto de estrategias de simulación basadas en técnicas numéricas que se utilizan habitualmente en la industria aeroespacial para facilitar la aplicación de los resultados de la Tesis en los modelos numéricos actuales. Los resultados muestran el importante papel de las capas de aire en la respuesta del sistema. El uso de modelos basados en elementos finitos o de contorno para estos elementos proporciona resultados equivalentes aunque la aplicabilidad de estos últimos puede estar condicionada por la geometría del problema. Se estudia asimismo el uso del Análisis Estadístico de la Energía (SEA) para estos elementos. Una de las estrategias de simulación propuestas, que incluye una formulación energética para el aire que rodea a la estructura, se propone como estimador preliminar de la respuesta del sistema y sus frecuencias propias. Para el rango de alta frecuencia, se estudia la influencia de la definición del propio modelo SEA. Se presenta el uso de técnicas de reducción para determinar una matriz de pérdidas SEA reducida para definiciones incompletas del sistema (si algún elemento que interactúa con el resto no se incluye en el modelo). Esta nueva matriz tiene en cuenta la contribución de las subestructuras que no se consideran parte del modelo y que suelen ignorarse en el procedimiento habitual para reducir el tamaño del mismo. Esta matriz permite también analizar sistemas que incluyen algún componente con problemas de accesibilidad para medir su respuesta. Respecto a la determinación de los factores de pérdidas del sistema, se presenta una metodología que permite abordar casos en los que el método usual, el Método de Inyección de Potencia (PIM), no puede usarse. Se presenta un conjunto de métodos basados en la técnicas de optimización y de actualización de modelos para casos en los que no se puede medir la respuesta de todos los elementos del sistema y también para casos en los que no todos los elementos pueden ser excitados, abarcando un conjunto de casos más amplio que el abordable con el PIM. Para ambos rangos de frecuencia se presentan diferentes casos de análisis: modelos numéricos para validar los métodos propuestos y un panel solar plegado como caso experimental que pone de manifiesto la aplicación práctica de los métodos presentados en la Tesis. ABSTRACT This Thesis presents an study on the vibro-acoustic behaviour of spacecraft structures with thin air layers and their numerical modelling. The air layers can play a key role in these systems as solar wings in folded configuration that constitute the study case for this Thesis. A method based on one-dimensional models is presented to assess the influence of the air layers in the dynamic response of the system. The modelling of such systems is studied for low and high frequency ranges. In the low frequency range a set of modelling strategies are proposed based on numerical techniques used in the industry to facilitate the application of the results in the current numerical models. Results show the active role of the air layers in the system response and their great level of influence. The modelling of these elements by means of Finite Elements (FE) and Boundary Elements (BE) provide equivalent results although the applicability of BE models can be conditioned by the geometry of the problem. The use of Statistical Energy Analysis (SEA) for these systems is also presented. Good results on the system response are found for models involving SEA beyond the usual applicability limit. A simulation strategy, involving energetic formulation for the surrounding fluid is proposed as fast preliminary approach for the system response and the coupled eigenfrequencies. For the high frequency range, the influence of the definition of the SEA model is presented. Reduction techniques are used to determine a Reduced SEA Loss Matrix if the system definition is not complete and some elements, which interact with the rest, are not included. This new matrix takes into account the contribution of the subsystems not considered that are neglected in the usual approach for decreasing the size of the model. It also allows the analysis of systems with accessibility restrictions on some element in order to measure its response. Regarding the determination of the loss factors of a system, a methodology is presented for cases in which the usual Power Injection Method (PIM) can not be applied. A set of methods are presented for cases in which not all the subsystem responses can be measured or not all the subsystems can be excited, as solar wings in folded configuration. These methods, based on error minimising and model updating techniques can be used to calculate the system loss factors in a set of cases wider than the PIM’s. For both frequency ranges, different test problems are analysed: Numerical models are studied to validate the methods proposed; an experimental case consisting in an actual solar wing is studied on both frequency ranges to highlight the industrial application of the new methods presented in the Thesis.

El análogo natural de almacenamiento y escape de Co2 de la cuenca de Gañuelas-Mazarrón : implicaciones para el comportamiento y la seguridad de un almacenamiento de Co2 en estaso supercrítico

El aumento de la temperatura media de la Tierra durante el pasado siglo en casi 1 ºC; la subida del nivel medio del mar; la disminución del volumen de hielo y nieve terrestres; la fuerte variabilidad del clima y los episodios climáticos extremos que se vienen sucediendo durante las ultimas décadas; y el aumento de las epidemias y enfermedades infecciosas son solo algunas de las evidencias del cambio climático actual, causado, principalmente, por la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera por actividades antropogénicas. La problemática y preocupación creciente surgida a raíz de estos fenómenos, motivo que, en 1997, se adoptara el denominado “Protocolo de Kyoto” (Japón), por el que los países firmantes adoptaron diferentes medidas destinadas a controlar y reducir las emisiones de los citados gases. Entre estas medidas cabe destacar las tecnologías CAC, enfocadas a la captura, transporte y almacenamiento de CO2. En este contexto se aprobó, en octubre de 2008, el Proyecto Singular Estratégico “Tecnologías avanzadas de generación, captura y almacenamiento de CO2” (PSE-120000-2008-6), cofinanciado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y el FEDER, el cual abordaba, en su Subproyecto “Almacenamiento Geológico de CO2” (PSS-120000-2008-31), el estudio detallado, entre otros, del Análogo Natural de Almacenamiento y Escape de CO2 de la cuenca de Ganuelas-Mazarrón (Murcia). Es precisamente en el marco de dicho Proyecto en el que se ha realizado este trabajo, cuyo objetivo final ha sido el de predecir el comportamiento y evaluar la seguridad, a corto, medio y largo plazo, de un Almacenamiento Geológico Profundo de CO2 (AGP-CO2), mediante el estudio integral del citado análogo natural. Este estudio ha comprendido: i) la contextualización geológica e hidrogeológica de la cuenca, así como la investigación geofísica de la misma; ii) la toma de muestras de aguas de algunos acuíferos seleccionados con el fin de realizar su estudio hidrogeoquímico e isotópico; iii) la caracterización mineralógica, petrográfica, geoquímica e isotópica de los travertinos precipitados a partir de las aguas de algunos de los sondeos de la cuenca; y iv) la medida y caracterización química e isotópica de los gases libres y disueltos detectados en la cuenca, con especial atención al CO2 y 222Rn. Esta información, desarrollada en capítulos independientes, ha permitido realizar un modelo conceptual de funcionamiento del sistema natural que constituye la cuenca de Ganuelas-Mazarrón, así como establecer las analogías entre este y un AGP-CO2, con posibles escapes naturales y/o antropogénicos. La aplicación de toda esta información ha servido, por un lado, para predecir el comportamiento y evaluar la seguridad, a corto, medio y largo plazo, de un AGP-CO2 y, por otro, proponer una metodología general aplicable al estudio de posibles emplazamientos de AGP-CO2 desde la perspectiva de los reservorios naturales de CO2. Los resultados más importantes indican que la cuenca de Ganuelas-Mazarrón se trata de una cubeta o fosa tectónica delimitada por fallas normales, con importantes saltos verticales, que hunden al substrato rocoso (Complejo Nevado-Filabride), y rellenas, generalmente, por materiales volcánicos-subvolcánicos ácidos. Además, esta cuenca se encuentra rellena por formaciones menos resistivas que son, de muro a techo, las margas miocenas, predominantes y casi exclusivas de la cuenca, y los conglomerados y gravas pliocuaternarias. El acuífero salino profundo y enriquecido en CO2, puesto de manifiesto por la xx exploración geotérmica realizada en dicha cuenca durante la década de los 80 y objeto principal de este estudio, se encuentra a techo de los materiales del Complejo Nevado-Filabride, a una profundidad que podría superar los 800 m, según los datos de la investigación mediante sondeos y geofísica. Por ello, no se descarta la posibilidad de que el CO2 se encuentre en estado supe critico, por lo que la citada cuenca reuniría las características principales de un almacenamiento geológico natural y profundo de CO2, o análogo natural de un AGP-CO2 en un acuífero salino profundo. La sobreexplotación de los acuíferos mas someros de la cuenca, con fines agrícolas, origino, por el descenso de sus niveles piezométricos y de la presión hidrostática, el ascenso de las aguas profundas, salinas y enriquecidas en CO2, las cuales son las responsables de la contaminación de dichos acuíferos. El estudio hidrogeoquímico de las aguas de los acuíferos investigados muestra una gran variedad de hidrofacies, incluso en aquellos de litología similar. La alta salinidad de estas aguas las hace inservibles tanto para el consumo humano como para fines agrícolas. Además, el carácter ligeramente ácido de la mayoría de estas aguas determina que tengan gran capacidad para disolver y transportar, hacia la superficie, elementos pesados y/o tóxicos, entre los que destaca el U, elemento abundante en las rocas volcánicas ácidas de la cuenca, con contenidos de hasta 14 ppm, y en forma de uraninita submicroscópica. El estudio isotópico ha permitido discernir el origen, entre otros, del C del DIC de las aguas (δ13C-DIC), explicándose como una mezcla de dos componentes principales: uno, procedente de la descomposición térmica de las calizas y mármoles del substrato y, otro, de origen edáfico, sin descartar una aportación menor de C de origen mantélico. El estudio de los travertinos que se están formando a la salida de las aguas de algunos sondeos, por la desgasificación rápida de CO2 y el consiguiente aumento de pH, ha permitido destacar este fenómeno, por analogía, como alerta de escapes de CO2 desde un AGP-CO2. El análisis de los gases disueltos y libres, con especial atención al CO2 y al 222Rn asociado, indican que el C del CO2, tanto disuelto como en fase libre, tiene un origen similar al del DIC, confirmándose la menor contribución de CO2 de origen mantélico, dada la relación R/Ra del He existente en estos gases. El 222Rn sería el generado por el decaimiento radiactivo del U, particularmente abundante en las rocas volcánicas de la cuenca, y/o por el 226Ra procedente del U o del existente en los yesos mesinienses de la cuenca. Además, el CO2 actúa como carrier del 222Rn, hecho evidenciado en las anomalías positivas de ambos gases a ~ 1 m de profundidad y relacionadas principalmente con perturbaciones naturales (fallas y contactos) y antropogénicas (sondeos). La signatura isotópica del C a partir del DIC, de los carbonatos (travertinos), y del CO2 disuelto y libre, sugiere que esta señal puede usarse como un excelente trazador de los escapes de CO2 desde un AGPCO2, en el cual se inyectara un CO2 procedente, generalmente, de la combustión de combustibles fósiles, con un δ13C(V-PDB) de ~ -30 ‰. Estos resultados han permitido construir un modelo conceptual de funcionamiento del sistema natural de la cuenca de Ganuelas-Mazarrón como análogo natural de un AGP-CO2, y establecer las relaciones entre ambos. Así, las analogías mas importantes, en cuanto a los elementos del sistema, serian la existencia de: i) un acuífero salino profundo enriquecido en CO2, que seria análoga a la formación almacén de un AGPxxi CO2; ii) una formación sedimentaria margosa que, con una potencia superior a 500 m, se correspondería con la formación sello de un AGP-CO2; y iii) acuíferos mas someros con aguas dulces y aptas para el consumo humano, rocas volcánicas ricas en U y fallas que se encuentran selladas por yesos y/o margas; elementos que también podrían concurrir en un emplazamiento de un AGP-CO2. Por otro lado, los procesos análogos mas importantes identificados serian: i) la inyección ascendente del CO2, que seria análoga a la inyección de CO2 de origen antropogénico, pero este con una signatura isotópica δ13C(V-PDB) de ~ -30 ‰; ii) la disolución de CO2 y 222Rn en las aguas del acuífero profundo, lo que seria análogo a la disolución de dichos gases en la formación almacén de un AGP-CO2; iii) la contaminación de los acuíferos mas someros por el ascenso de las aguas sobresaturadas en CO2, proceso que seria análogo a la contaminación que se produciría en los acuíferos existentes por encima de un AGP-CO2, siempre que este se perturbara natural (reactivación de fallas) o artificialmente (sondeos); iv) la desgasificación (CO2 y gases asociados, entre los que destaca el 222Rn) del acuífero salino profundo a través de sondeos, proceso análogo al que pudiera ocurrir en un AGP-CO2 perturbado; y v) la formación rápida de travertinos, proceso análogo indicativo de que el AGP-CO2 ha perdido su estanqueidad. La identificación de las analogías más importantes ha permitido, además, analizar y evaluar, de manera aproximada, el comportamiento y la seguridad, a corto, medio y largo plazo, de un AGP-CO2 emplazado en un contexto geológico similar al sistema natural estudiado. Para ello se ha seguido la metodología basada en el análisis e identificación de los FEPs (Features, Events and Processes), los cuales se han combinado entre sí para generar y analizar diferentes escenarios de evolución del sistema (scenario analysis). Estos escenarios de evolución identificados en el sistema natural perturbado, relacionados con la perforación de sondeos, sobreexplotación de acuíferos, precipitación rápida de travertinos, etc., serian análogos a los que podrían ocurrir en un AGP-CO2 que también fuera perturbado antropogénicamente, por lo que resulta totalmente necesario evitar la perturbación artificial de la formación sello del AGPCO2. Por último, con toda la información obtenida se ha propuesto una metodología de estudio que pueda aplicarse al estudio de posibles emplazamientos de un AGP-CO2 desde la perspectiva de los reservorios naturales de CO2, sean estancos o no. Esta metodología comprende varias fases de estudio, que comprendería la caracterización geológico-estructural del sitio y de sus componentes (agua, roca y gases), la identificación de las analogías entre un sistema natural de almacenamiento de CO2 y un modelo conceptual de un AGP-CO2, y el establecimiento de las implicaciones para el comportamiento y la seguridad de un AGP-CO2. ABSTRACT The accumulation of the anthropogenic greenhouse gases in the atmosphere is the main responsible for: i) the increase in the average temperature of the Earth over the past century by almost 1 °C; ii) the rise in the mean sea level; iii) the drop of the ice volume and terrestrial snow; iv) the strong climate variability and extreme weather events that have been happening over the last decades; and v) the spread of epidemics and infectious diseases. All of these events are just some of the evidence of current climate change. The problems and growing concern related to these phenomena, prompted the adoption of the so-called "Kyoto Protocol" (Japan) in 1997, in which the signatory countries established different measurements to control and reduce the emissions of the greenhouse gases. These measurements include the CCS technologies, focused on the capture, transport and storage of CO2. Within this context, it was approved, in October 2008, the Strategic Singular Project "Tecnologías avanzadas de generación, captura y almacenamiento de CO2" (PSE-120000-2008-6), supported by the Ministry of Science and Innovation and the FEDER funds. This Project, by means of the Subproject "Geological Storage of CO2" (PSS- 120000-2008-31), was focused on the detailed study of the Natural Analogue of CO2 Storage and Leakage located in the Ganuelas-Mazarron Tertiary basin (Murcia), among other Spanish Natural Analogues. This research work has been performed in the framework of this Subproject, being its final objective to predict the behaviour and evaluate the safety, at short, medium and long-term, of a CO2 Deep Geological Storage (CO2-DGS) by means of a comprehensive study of the abovementioned Natural Analogue. This study comprises: i) the geological and hydrogeological context of the basin and its geophysical research; ii) the water sampling of the selected aquifers to establish their hydrogeochemical and isotopic features; iii) the mineralogical, petrographic, geochemical and isotopic characterisation of the travertines formed from upwelling groundwater of several hydrogeological and geothermal wells; and iv) the measurement of the free and dissolved gases detected in the basin, as well as their chemical and isotopic characterisation, mainly regarding CO2 and 222Rn. This information, summarised in separate chapters in the text, has enabled to build a conceptual model of the studied natural system and to establish the analogies between both the studied natural system and a CO2-DGS, with possible natural and/or anthropogenic escapes. All this information has served, firstly, to predict the behaviour and to evaluate the safety, at short, medium and long-term, of a CO2-DGS and, secondly, to propose a general methodology to study suitable sites for a CO2-DGS, taking into account the lessons learned from this CO2 natural reservoir. The main results indicate that the Ganuelas-Mazarron basin is a graben bounded by normal faults with significant vertical movements, which move down the metamorphic substrate (Nevado-Filabride Complex), and filled with acid volcanic-subvolcanic rocks. Furthermore, this basin is filled with two sedimentary formations: i) the Miocene marls, which are predominant and almost exclusive in the basin; xxiv and ii) the Plio-Quaternary conglomerates and gravels. A deep saline CO2-rich aquifer was evidenced in this basin as a result of the geothermal exploration wells performed during the 80s, located just at the top of the Nevado-Filabride Complex and at a depth that could exceed 800 m, according to the geophysical exploration performed. This saline CO2-rich aquifer is precisely the main object of this study. Therefore, it is not discarded the possibility that the CO2 in this aquifer be in supercritical state. Consequently, the aforementioned basin gathers the main characteristics of a natural and deep CO2 geological storage, or natural analogue of a CO2-DGS in a deep saline aquifer. The overexploitation of the shallow aquifers in this basin for agriculture purposes caused the drop of the groundwater levels and hydrostatic pressures, and, as a result, the ascent of the deep saline and CO2-rich groundwater, which is the responsible for the contamination of the shallow and fresh aquifers. The hydrogeochemical features of groundwater from the investigated aquifers show the presence of very different hydrofacies, even in those with similar lithology. The high salinity of this groundwater prevents the human and agricultural uses. In addition, the slightly acidic character of most of these waters determines their capacity to dissolve and transport towards the surface heavy and/or toxic elements, among which U is highlighted. This element is abundant in the acidic volcanic rocks of the basin, with concentrations up to 14 ppm, mainly as sub-microscopic uraninite crystals. The isotopic study of this groundwater, particularly the isotopic signature of C from DIC (δ13C-DIC), suggests that dissolved C can be explained considering a mixture of C from two main different sources: i) from the thermal decomposition of limestones and marbles forming the substrate; and ii) from edaphic origin. However, a minor contribution of C from mantle degassing cannot be discarded. The study of travertines being formed from upwelling groundwater of several hydrogeological and geothermal wells, as a result of the fast CO2 degassing and the pH increase, has allowed highlighting this phenomenon, by analogy, as an alert for the CO2 leakages from a CO2-DGS. The analysis of the dissolved and free gases, with special attention to CO2 and 222Rn, indicates that the C from the dissolved and free CO2 has a similar origin to that of the DIC. The R/Ra ratio of He corroborates the minor contribution of CO2 from the mantle degassing. Furthermore, 222Rn is generated by the radioactive decay of U, particularly abundant in the volcanic rocks of the basin, and/or by 226Ra from the U or from the Messinian gypsum in the basin. Moreover, CO2 acts as a carrier of the 222Rn, a fact evidenced by the positive anomalies of both gases at ~ 1 m depth and mainly related to natural (faults and contacts) and anthropogenic (wells) perturbations. The isotopic signature of C from DIC, carbonates (travertines), and dissolved and free CO2, suggests that this parameter can be used as an excellent tracer of CO2 escapes from a CO2-DGS, in which CO2 usually from the combustion of fossil fuels, with δ13C(V-PDB) of ~ -30 ‰, will be injected. All of these results have allowed to build a conceptual model of the behaviour of the natural system studied as a natural analogue of a CO2-DGS, as well as to establish the relationships between both natural xxv and artificial systems. Thus, the most important analogies, regarding the elements of the system, would be the presence of: i) a deep saline CO2-rich aquifer, which would be analogous to the storage formation of a CO2-DGS; ii) a marly sedimentary formation with a thickness greater than 500 m, which would correspond to the sealing formation of a CO2-DGS; and iii) shallow aquifers with fresh waters suitable for human consumption, U-rich volcanic rocks, and faults that are sealed by gypsums and/or marls; geological elements that could also be present in a CO2-DGS. On the other hand, the most important analogous processes identified are: i) the upward injection of CO2, which would be analogous to the downward injection of the anthropogenic CO2, this last with a δ13C(V-PDB) of ~ -30 ‰; ii) the dissolution of CO2 and 222Rn in groundwater of the deep aquifer, which would be analogous to the dissolution of these gases in the storage formation of a CO2-DGS; iii) the contamination of the shallow aquifers by the uprising of CO2-oversaturated groundwater, an analogous process to the contamination that would occur in shallow aquifers located above a CO2-DGS, whenever it was naturally (reactivation of faults) or artificially (wells) perturbed; iv) the degassing (CO2 and associated gases, among which 222Rn is remarkable) of the deep saline aquifer through wells, process which could be similar in a perturbed CO2- DGS; v) the rapid formation of travertines, indicating that the CO2-DGS has lost its seal capacity. The identification of the most important analogies has also allowed analysing and evaluating, approximately, the behaviour and safety in the short, medium and long term, of a CO2-DGS hosted in a similar geological context of the natural system studied. For that, it has been followed the methodology based on the analysis and identification of FEPs (Features, Events and Processes) that have been combined together in order to generate and analyse different scenarios of the system evolution (scenario analysis). These identified scenarios in the perturbed natural system, related to boreholes, overexploitation of aquifers, rapid precipitation of travertines, etc., would be similar to those that might occur in a CO2-DGS anthropogenically perturbed, so that it is absolutely necessary to avoid the artificial perturbation of the seal formation of a CO2-DGS. Finally, a useful methodology for the study of possible sites for a CO2-DGS is suggested based on the information obtained from this investigation, taking into account the lessons learned from this CO2 natural reservoir. This methodology comprises several phases of study, including the geological and structural characterisation of the site and its components (water, rock and gases), the identification of the analogies between a CO2 storage natural system and a conceptual model of a CO2-DGS, and the implications regarding the behaviour and safety of a CO2-DGS.

One-dimensional linear analysis of the liquid injection or removal in a liquid bridge

The filling-withdrawal process of a long liquid bridge is analyzed using a one-dimensional linearized model for the dynamics of the liquid column. To carry out this study, a well-known standard operational method (Laplace transform) has been used, and time variation of both liquid velocity field and interface shape are obtained.

Neurite, a finite difference large scale parallel program for the simulation of the electrical signal propagation in neurites under mechanical loading

With the growing body of research on traumatic brain injury and spinal cord injury, computational neuroscience has recently focused its modeling efforts on neuronal functional deficits following mechanical loading. However, in most of these efforts, cell damage is generally only characterized by purely mechanistic criteria, function of quantities such as stress, strain or their corresponding rates. The modeling of functional deficits in neurites as a consequence of macroscopic mechanical insults has been rarely explored. In particular, a quantitative mechanically based model of electrophysiological impairment in neuronal cells has only very recently been proposed (Jerusalem et al., 2013). In this paper, we present the implementation details of Neurite: the finite difference parallel program used in this reference. Following the application of a macroscopic strain at a given strain rate produced by a mechanical insult, Neurite is able to simulate the resulting neuronal electrical signal propagation, and thus the corresponding functional deficits. The simulation of the coupled mechanical and electrophysiological behaviors requires computational expensive calculations that increase in complexity as the network of the simulated cells grows. The solvers implemented in Neurite-explicit and implicit-were therefore parallelized using graphics processing units in order to reduce the burden of the simulation costs of large scale scenarios. Cable Theory and Hodgkin-Huxley models were implemented to account for the electrophysiological passive and active regions of a neurite, respectively, whereas a coupled mechanical model accounting for the neurite mechanical behavior within its surrounding medium was adopted as a link between lectrophysiology and mechanics (Jerusalem et al., 2013). This paper provides the details of the parallel implementation of Neurite, along with three different application examples: a long myelinated axon, a segmented dendritic tree, and a damaged axon. The capabilities of the program to deal with large scale scenarios, segmented neuronal structures, and functional deficits under mechanical loading are specifically highlighted.

Metodología de simulación del almacenamiento geológico de CO2 como contribución a la solución al problema del Cambio Climático, aplicada a la estructura BG-GE-08 (oeste de la Comunidad de Murcia)

Una de las medidas de mitigación del Cambio Climático propuestas al amparo de la ONU por el IPCC (Intergovermental Panel on Climate Change) en su ‘Informe de Síntesis 2007’ consiste en la puesta en marcha de acciones para la captación y almacenamiento de dióxido de carbono, existiendo tres tipos de formaciones geológicas idóneas para el almacenamiento geológico de este gas: yacimientos de petróleo y gas agotados, capas de carbón no explotables y formaciones salinas profundas. En el caso de las formaciones salinas profundas, el problema fundamental para llevar a cabo un estudio de almacenamiento de CO2, reside en la dificultad de obtención de datos geológicos del subsuelo en una cierta estructura seleccionada, cuyas características pueden ser a priori idóneas para la inyección y almacenamiento del gas. Por este motivo la solución para poder analizar la viabilidad de un proyecto de almacenamiento en una estructura geológica pasa por la simulación numérica a partir de la modelización 3D del yacimiento. Los métodos numéricos permiten simular la inyección de un caudal determinado de dióxido de carbono desde un pozo de inyección localizado en una formación salina. En la presente tesis se ha definido una metodología de simulación de almacenamiento geológico de CO2, como contribución a la solución al problema del Cambio Climático, aplicada de forma concreta a la estructura BG-GE-08 (oeste de la Comunidad de Murcia). Esta estructura geológica ha sido catalogada por el IGME (Instituto Geológico y Minero de España) como idónea para el almacenamiento de dióxido de carbono, dada la existencia de una capa almacén confinada entre dos capas sello. ABSTRACT One of the climate change mitigation proposals suggested by the IPCC (Intergovermental Panel on Climate Change) in its ‘Synthesis Report 2007’ involves the launch of actions for capturing and storing carbon dioxide, existing three different geological structures suitable for gas storage: oil and gas reservoirs already drained, useless coal layers and deep saline structures. In case of deep saline structures, the main problem to develop a study of CO2 storage is the difficulty of obtaining geological data for some selected structure with characteristics that could be suitable for injection and gas storage. According to this situation, the solution to analyze the feasibility of a storage project in a geological structure will need numerical simulation from a 3D model. Numerical methods allow the simulation of the carbon dioxide filling in saline structures from a well, used to inject gas with a particular flow. In this document a simulation methodology has been defined for geological CO2 storage, as a contribution to solve the Climatic Change problem, applied to the structure BG-GE-08 (west of Murcia region). This geological structure has been classified by the IGME (Geological and Mining Institute of Spain) as suitable for the storage of carbon dioxide given the existence of a storage layer confined between two seal layers.

Four-injector variability modeling of FinFET predictive technology models

The usual way of modeling variability using threshold voltage shift and drain current amplification is becoming inaccurate as new sources of variability appear in sub-22nm devices. In this work we apply the four-injector approach for variability modeling to the simulation of SRAMs with predictive technology models from 20nm down to 7nm nodes. We show that the SRAMs, designed following ITRS roadmap, present stability metrics higher by at least 20% compared to a classical variability modeling approach. Speed estimation is also pessimistic, whereas leakage is underestimated if sub-threshold slope and DIBL mismatch and their correlations with threshold voltage are not considered.

3D simulation of complex shading affecting PV systems taking benefit from the power of graphics cards developed for the video game industry

Shading reduces the power output of a photovoltaic (PV) system. The design engineering of PV systems requires modeling and evaluating shading losses. Some PV systems are affected by complex shading scenes whose resulting PV energy losses are very difficult to evaluate with current modeling tools. Several specialized PV design and simulation software include the possibility to evaluate shading losses. They generally possess a Graphical User Interface (GUI) through which the user can draw a 3D shading scene, and then evaluate its corresponding PV energy losses. The complexity of the objects that these tools can handle is relatively limited. We have created a software solution, 3DPV, which allows evaluating the energy losses induced by complex 3D scenes on PV generators. The 3D objects can be imported from specialized 3D modeling software or from a 3D object library. The shadows cast by this 3D scene on the PV generator are then directly evaluated from the Graphics Processing Unit (GPU). Thanks to the recent development of GPUs for the video game industry, the shadows can be evaluated with a very high spatial resolution that reaches well beyond the PV cell level, in very short calculation times. A PV simulation model then translates the geometrical shading into PV energy output losses. 3DPV has been implemented using WebGL, which allows it to run directly from a Web browser, without requiring any local installation from the user. This also allows taken full benefits from the information already available from Internet, such as the 3D object libraries. This contribution describes, step by step, the method that allows 3DPV to evaluate the PV energy losses caused by complex shading. We then illustrate the results of this methodology to several application cases that are encountered in the world of PV systems design. Keywords: 3D, modeling, simulation, GPU, shading, losses, shadow mapping, solar, photovoltaic, PV, WebGL

Simulation and geometrical design of multi-section tapered semiconductor optical amplifiers at 1.57 µm

Fully integrated semiconductor master-oscillator power-amplifiers (MOPA) with a tapered power amplifier are attractive sources for applications requiring high brightness. The geometrical design of the tapered amplifier is crucial to achieve the required power and beam quality. In this work we investigate by numerical simulation the role of the geometrical design in the beam quality and in the maximum achievable power. The simulations were performed with a Quasi-3D model which solves the complete steady-state semiconductor and thermal equations combined with a beam propagation method. The results indicate that large devices with wide taper angles produce higher power with better beam quality than smaller area designs, but at expenses of a higher injection current and lower conversion efficiency.

Design and Simulation of Deep Nanometer SRAM Cells under Energy, Mismatch, and Radiation Constraints

La fiabilidad está pasando a ser el principal problema de los circuitos integrados según la tecnología desciende por debajo de los 22nm. Pequeñas imperfecciones en la fabricación de los dispositivos dan lugar ahora a importantes diferencias aleatorias en sus características eléctricas, que han de ser tenidas en cuenta durante la fase de diseño. Los nuevos procesos y materiales requeridos para la fabricación de dispositivos de dimensiones tan reducidas están dando lugar a diferentes efectos que resultan finalmente en un incremento del consumo estático, o una mayor vulnerabilidad frente a radiación. Las memorias SRAM son ya la parte más vulnerable de un sistema electrónico, no solo por representar más de la mitad del área de los SoCs y microprocesadores actuales, sino también porque las variaciones de proceso les afectan de forma crítica, donde el fallo de una única célula afecta a la memoria entera. Esta tesis aborda los diferentes retos que presenta el diseño de memorias SRAM en las tecnologías más pequeñas. En un escenario de aumento de la variabilidad, se consideran problemas como el consumo de energía, el diseño teniendo en cuenta efectos de la tecnología a bajo nivel o el endurecimiento frente a radiación. En primer lugar, dado el aumento de la variabilidad de los dispositivos pertenecientes a los nodos tecnológicos más pequeños, así como a la aparición de nuevas fuentes de variabilidad por la inclusión de nuevos dispositivos y la reducción de sus dimensiones, la precisión del modelado de dicha variabilidad es crucial. Se propone en la tesis extender el método de inyectores, que modela la variabilidad a nivel de circuito, abstrayendo sus causas físicas, añadiendo dos nuevas fuentes para modelar la pendiente sub-umbral y el DIBL, de creciente importancia en la tecnología FinFET. Los dos nuevos inyectores propuestos incrementan la exactitud de figuras de mérito a diferentes niveles de abstracción del diseño electrónico: a nivel de transistor, de puerta y de circuito. El error cuadrático medio al simular métricas de estabilidad y prestaciones de células SRAM se reduce un mínimo de 1,5 veces y hasta un máximo de 7,5 a la vez que la estimación de la probabilidad de fallo se mejora en varios ordenes de magnitud. El diseño para bajo consumo es una de las principales aplicaciones actuales dada la creciente importancia de los dispositivos móviles dependientes de baterías. Es igualmente necesario debido a las importantes densidades de potencia en los sistemas actuales, con el fin de reducir su disipación térmica y sus consecuencias en cuanto al envejecimiento. El método tradicional de reducir la tensión de alimentación para reducir el consumo es problemático en el caso de las memorias SRAM dado el creciente impacto de la variabilidad a bajas tensiones. Se propone el diseño de una célula que usa valores negativos en la bit-line para reducir los fallos de escritura según se reduce la tensión de alimentación principal. A pesar de usar una segunda fuente de alimentación para la tensión negativa en la bit-line, el diseño propuesto consigue reducir el consumo hasta en un 20 % comparado con una célula convencional. Una nueva métrica, el hold trip point se ha propuesto para prevenir nuevos tipos de fallo debidos al uso de tensiones negativas, así como un método alternativo para estimar la velocidad de lectura, reduciendo el número de simulaciones necesarias. Según continúa la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos, se incluyen nuevos mecanismos que permiten facilitar el proceso de fabricación, o alcanzar las prestaciones requeridas para cada nueva generación tecnológica. Se puede citar como ejemplo el estrés compresivo o extensivo aplicado a los fins en tecnologías FinFET, que altera la movilidad de los transistores fabricados a partir de dichos fins. Los efectos de estos mecanismos dependen mucho del layout, la posición de unos transistores afecta a los transistores colindantes y pudiendo ser el efecto diferente en diferentes tipos de transistores. Se propone el uso de una célula SRAM complementaria que utiliza dispositivos pMOS en los transistores de paso, así reduciendo la longitud de los fins de los transistores nMOS y alargando los de los pMOS, extendiéndolos a las células vecinas y hasta los límites de la matriz de células. Considerando los efectos del STI y estresores de SiGe, el diseño propuesto mejora los dos tipos de transistores, mejorando las prestaciones de la célula SRAM complementaria en más de un 10% para una misma probabilidad de fallo y un mismo consumo estático, sin que se requiera aumentar el área. Finalmente, la radiación ha sido un problema recurrente en la electrónica para aplicaciones espaciales, pero la reducción de las corrientes y tensiones de los dispositivos actuales los está volviendo vulnerables al ruido generado por radiación, incluso a nivel de suelo. Pese a que tecnologías como SOI o FinFET reducen la cantidad de energía colectada por el circuito durante el impacto de una partícula, las importantes variaciones de proceso en los nodos más pequeños va a afectar su inmunidad frente a la radiación. Se demuestra que los errores inducidos por radiación pueden aumentar hasta en un 40 % en el nodo de 7nm cuando se consideran las variaciones de proceso, comparado con el caso nominal. Este incremento es de una magnitud mayor que la mejora obtenida mediante el diseño de células de memoria específicamente endurecidas frente a radiación, sugiriendo que la reducción de la variabilidad representaría una mayor mejora. ABSTRACT Reliability is becoming the main concern on integrated circuit as the technology goes beyond 22nm. Small imperfections in the device manufacturing result now in important random differences of the devices at electrical level which must be dealt with during the design. New processes and materials, required to allow the fabrication of the extremely short devices, are making new effects appear resulting ultimately on increased static power consumption, or higher vulnerability to radiation SRAMs have become the most vulnerable part of electronic systems, not only they account for more than half of the chip area of nowadays SoCs and microprocessors, but they are critical as soon as different variation sources are regarded, with failures in a single cell making the whole memory fail. This thesis addresses the different challenges that SRAM design has in the smallest technologies. In a common scenario of increasing variability, issues like energy consumption, design aware of the technology and radiation hardening are considered. First, given the increasing magnitude of device variability in the smallest nodes, as well as new sources of variability appearing as a consequence of new devices and shortened lengths, an accurate modeling of the variability is crucial. We propose to extend the injectors method that models variability at circuit level, abstracting its physical sources, to better model sub-threshold slope and drain induced barrier lowering that are gaining importance in FinFET technology. The two new proposed injectors bring an increased accuracy of figures of merit at different abstraction levels of electronic design, at transistor, gate and circuit levels. The mean square error estimating performance and stability metrics of SRAM cells is reduced by at least 1.5 and up to 7.5 while the yield estimation is improved by orders of magnitude. Low power design is a major constraint given the high-growing market of mobile devices that run on battery. It is also relevant because of the increased power densities of nowadays systems, in order to reduce the thermal dissipation and its impact on aging. The traditional approach of reducing the voltage to lower the energy consumption if challenging in the case of SRAMs given the increased impact of process variations at low voltage supplies. We propose a cell design that makes use of negative bit-line write-assist to overcome write failures as the main supply voltage is lowered. Despite using a second power source for the negative bit-line, the design achieves an energy reduction up to 20% compared to a conventional cell. A new metric, the hold trip point has been introduced to deal with new sources of failures to cells using a negative bit-line voltage, as well as an alternative method to estimate cell speed, requiring less simulations. With the continuous reduction of device sizes, new mechanisms need to be included to ease the fabrication process and to meet the performance targets of the successive nodes. As example we can consider the compressive or tensile strains included in FinFET technology, that alter the mobility of the transistors made out of the concerned fins. The effects of these mechanisms are very dependent on the layout, with transistor being affected by their neighbors, and different types of transistors being affected in a different way. We propose to use complementary SRAM cells with pMOS pass-gates in order to reduce the fin length of nMOS devices and achieve long uncut fins for the pMOS devices when the cell is included in its corresponding array. Once Shallow Trench isolation and SiGe stressors are considered the proposed design improves both kinds of transistor, boosting the performance of complementary SRAM cells by more than 10% for a same failure probability and static power consumption, with no area overhead. While radiation has been a traditional concern in space electronics, the small currents and voltages used in the latest nodes are making them more vulnerable to radiation-induced transient noise, even at ground level. Even if SOI or FinFET technologies reduce the amount of energy transferred from the striking particle to the circuit, the important process variation that the smallest nodes will present will affect their radiation hardening capabilities. We demonstrate that process variations can increase the radiation-induced error rate by up to 40% in the 7nm node compared to the nominal case. This increase is higher than the improvement achieved by radiation-hardened cells suggesting that the reduction of process variations would bring a higher improvement.

A new regularization method for fast and accurate propagation of roto-translationally coupled asteroids

There is a well-distinguished group of asteroids for which the roto-translational cou-pling is known to have a non-negligible e�ect in the long-term. The study of such asteroids suggests the use of specialized propagation techniques, where perturbation methods make their best. The techniques from which the special regularization method DROMO is derived, have now been extended to the attitude dynamics, with equally remarkable results in terms of speed and accuracy, thus making the combination of these algorithms specially. well-suited to deal with the propagation of bodies with strong attitude coupling.

Numerical simulation of a synthetic jet with OpenFoam

Numerical simulations of flow surrounding a synthetic jet actuating device are presented. By modifying a dynamic mesh technique available in OpenFoam-a well-documented open-source solver for fluid dynamics, detailed computations of the sinusoidal motion of the synthetic jet diaphragm were possible. Numerical solutions were obtained by solving the two dimensional incompressible viscous N-S equations, with the use of a second order implicit time marching scheme and a central finite volume method for spatial discretization in both streamwise and crossflow directions. A systematic parametric study is reported here, in which the external Reynolds number, the diaphragm amplitude and frequency, and the slot dimensions are varied.