Análisis experimental y computacional de modelos termofluidomecánicos para el diseño de ingeniería con metales líquidos

Es importante disponer de una herramienta con la cual diseñar dispositivos de uso industrial y comercial que trabajen con metales líquidos (fuentes de neutrones de alta intensidad, núcleos de sistemas de transmutación nuclear, reactores de fisión de nueva generación, instalaciones de irradiación de materiales o reactores de fusión nuclear). Los códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) son una de esas herramientas, y la manera de llevar a cabo su validación es la simulación de experimentos existentes. La turbulencia y la presencia de dos o más fases, son los dos principales problemas a los que tiene que hacer frente un código CFD. La mayoría de los modelos de turbulencia presentes en los códigos CFD se basan en considerar la proporcionalidad directa entre el transporte de cantidad de movimiento turbulento y el transporte turbulento de calor. Precisamente, el coeficiente de difusión del calor turbulento, se asume que sea proporcional a la viscosidad turbulenta a través de una constante empírica, llamada número de Prandtl turbulento. El valor de este número, en los códigos comerciales está entre 0,9 y 0,85 dependiendo del modelo de turbulencia, lo cual significa que en los códigos se asume que el transporte turbulento tanto de cantidad de movimiento como de calor, son prácticamente equivalentes. Esta asunción no es cierta en los flujos de metales líquidos, donde se demuestra que la transmisión de calor por turbulencia es pequeña frente a la transmisión de calor molecular. La solución pasa por aumentar el número de Prandtl turbulento, o abandonar la analogía de Reynolds, en el tratamiento de la turbulencia. Por otro lado, en los metales líquidos la capa límite térmica es más ancha que la de velocidad, y las funciones de pared incluidas en los códigos no satisfacen adecuadamente los flujos turbulentos de los fluidos con bajo número de Prantdl (los metales líquidos). Sí serían adecuados, si el mallado es tal, que la celda más cercana a la pared, está dentro de la subcapa laminar, en la cual la propiedad dominante es la conductividad molecular. En la simulación de flujo multifase los códigos se encuentran con una serie de dificultades, que en el caso de que las densidades de los fluidos que intervienen sean muy diferentes entre sí (como ocurre con los metales líquidos y los gases), serán aún mayores. La modelización de la interfase gas metal líquido, así como el encontrar una correlación válida para los coeficientes de resistencia y sustentación para el movimiento de las burbujas en el seno del metal líquido, son dos de los principales retos en la simulación de este tipo de flujos. Las dificultades no se limitan sólo a la simulación mediante CFD, las medidas experimentales de velocidad de las burbujas y del metal líquido también son complicadas. Hay parámetros que no se pueden definir bien: la trayectoria y la forma de las burbujas entre ellos. En el campo de aplicación industrial de los metales líquidos, los altos valores de los coeficientes de expansión volumétrica y de conductividad térmica hacen que estos fluidos sean muy atractivos en la refrigeración por convección libre en dispositivos de alta densidad de potencia. Tomando como base uno de los diseños de ADS (Accelerator Driven System), y teniendo en cuenta la dificultad que conlleva el uso de múltiples modelos físicos, los cálculos realizados muestran cómo, en caso de fallo eléctrico, la operación de la instalación puede continuar de forma segura. Para la validación de los códigos CFD en su uso como herramienta de diseño, uno de los fenómenos donde cuantitativamente más dificultades encuentran los códigos es en los que aparecen en la modelización de las superficies libres. Un buen ajuste de los modelos multifase y de turbulencia es imprescindible en este tipo de simulaciones. Efectivamente, en la instalación de irradiación de materiales IFMIF, la formación de ondas en la superficie libre del flujo de Litio, es un fenómeno que hay que tratar de evitar, y además se requiere predecir las temperaturas, para ver si hay peligro de ebullición del metal líquido. La simulación llevada a cabo se enfoca al análisis termohidráulico. Variando la velocidad de inyección de Litio desde 10 hasta 20 m/s, se comprueba que las temperaturas máximas quedan alejadas del punto de ebullición del Litio, debido al aumento de presión producido por la fuerza centrífuga. Una de las cuestiones más críticas que se presentan en las fuentes de neutrones sería la refrigeración de la ventana metálica sobre la que incide el haz de protones. La simulación de experimentos como MEGAPIE y TS-1, permite la “visualización” de recirculación en el flujo, de los puntos de estancamiento, de los puntos calientes, etc, y da una fotografía de las zonas críticas del diseño.

Diseño, optimización y análisis de sistemas basados en técnicas láser, para el modelado geométrico, registro y documentación, aplicados a entidades de interés patrimonial.

El objetivo de la presente tesis doctoral es el desarrollo e implementación de un sistema para mejorar la metodología de extracción de la información geométrica necesaria asociada a los procesos de documentación de entidades de interés patrimonial, a partir de la información proporcionada por el empleo de sensores láser, tanto aéreos como terrestres. Para ello, inicialmente se realiza una presentación y justificación de los antecedentes y la problemática en el registro de información geométrica para el patrimonio, detallando todos aquellos sistemas de registro y análisis de la información geométrica utilizados en la actualidad. Este análisis permitirá realizar la comparación con los sistemas de registro basados en técnicas láser, aportando sugerencias de utilización para cada caso concreto. Posteriormente, se detallan los sistemas de registro basados en técnicas láser, comenzando por los sensores aerotransportados y concluyendo con el análisis pormenorizado de los sensores terrestres, tanto en su aplicación en modo estático como móvil. Se exponen las características técnicas y funcionamiento de cada uno de ellos, así como los ámbitos de aplicación y productos generados. Se analizan las fuentes de error que determinan la precisión que puede alcanzar el sistema. Tras la exposición de las características de los sistemas LiDAR, se detallan los procesos a realizar con los datos extraídos para poder generar la información necesaria para los diferentes tipos de objetos analizados. En esta exposición, se hace hincapié en los posibles riesgos que pueden ocurrir en algunas fases delicadas y se analizarán los diferentes algoritmos de filtrado y clasificación de los puntos, fundamentales en el procesamiento de la información LiDAR. Seguidamente, se propone una alternativa para optimizar los modelos de procesamiento existentes, basándose en el desarrollo de algoritmos nuevos y herramientas informáticas que mejoran el rendimiento en la gestión de la información LiDAR. En la implementación, se han tenido en cuenta características y necesidades particulares de la documentación de entidades de interés patrimonial, así como los diferentes ámbitos de utilización del LiDAR, tanto aéreo como terrestre. El resultado es un organigrama de las tareas a realizar desde la nube de puntos LiDAR hasta el cálculo de los modelos digitales del terreno y de superficies. Para llevar a cabo esta propuesta, se han desarrollado hasta 19 algoritmos diferentes que comprenden implementaciones para el modelado en 2.5D y 3D, visualización, edición, filtrado y clasificación de datos LiDAR, incorporación de información de sensores pasivos y cálculo de mapas derivados, tanto raster como vectoriales, como pueden ser mapas de curvas de nivel y ortofotos. Finalmente, para dar validez y consistencia a los desarrollos propuestos, se han realizado ensayos en diferentes escenarios posibles en un proceso de documentación del patrimonio y que abarcan desde proyectos con sensores aerotransportados, proyectos con sensores terrestres estáticos a media y corta distancia, así como un proyecto con un sensor terrestre móvil. Estos ensayos han permitido definir los diferentes parámetros necesarios para el adecuado funcionamiento de los algoritmos propuestos. Asimismo, se han realizado pruebas objetivas expuestas por la ISPRS para la evaluación y comparación del funcionamiento de algoritmos de clasificación LiDAR. Estas pruebas han permitido extraer datos de rendimiento y efectividad del algoritmo de clasificación presentado, permitiendo su comparación con otros algoritmos de prestigio existentes. Los resultados obtenidos han constatado el funcionamiento satisfactorio de la herramienta. Esta tesis está enmarcada dentro del proyecto Consolider-Ingenio 2010: “Programa de investigación en tecnologías para la valoración y conservación del patrimonio cultural” (ref. CSD2007-00058) realizado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad Politécnica de Madrid. ABSTRACT: The goal of this thesis is the design, development and implementation of a system to improve the extraction of useful geometric information in Heritage documentation processes. This system is based on information provided by laser sensors, both aerial and terrestrial. Firstly, a presentation of recording geometric information for Heritage processes is done. Then, a justification of the background and problems is done too. Here, current systems for recording and analyzing the geometric information are studied. This analysis will perform the comparison with the laser system techniques, providing suggestions of use for each specific case. Next, recording systems based on laser techniques are detailed. This study starts with airborne sensors and ends with terrestrial ones, both in static and mobile application. The technical characteristics and operation of each of them are described, as well as the areas of application and generated products. Error sources are also analyzed in order to know the precision this technology can achieve. Following the presentation of the LiDAR system characteristics, the processes to generate the required information for different types of scanned objects are described; the emphasis is on the potential risks that some steps can produce. Moreover different filtering and classification algorithms are analyzed, because of their main role in LiDAR processing. Then, an alternative to optimize existing processing models is proposed. It is based on the development of new algorithms and tools that improve the performance in LiDAR data management. In this implementation, characteristics and needs of the documentation of Heritage entities have been taken into account. Besides, different areas of use of LiDAR are considered, both air and terrestrial. The result is a flowchart of tasks from the LiDAR point cloud to the calculation of digital terrain models and digital surface models. Up to 19 different algorithms have been developed to implement this proposal. These algorithms include implementations for 2.5D and 3D modeling, viewing, editing, filtering and classification of LiDAR data, incorporating information from passive sensors and calculation of derived maps, both raster and vector, such as contour maps and orthophotos. Finally, in order to validate and give consistency to the proposed developments, tests in different cases have been executed. These tests have been selected to cover different possible scenarios in the Heritage documentation process. They include from projects with airborne sensors, static terrestrial sensors (medium and short distances) to mobile terrestrial sensor projects. These tests have helped to define the different parameters necessary for the appropriate functioning of the proposed algorithms. Furthermore, proposed tests from ISPRS have been tested. These tests have allowed evaluating the LiDAR classification algorithm performance and comparing it to others. Therefore, they have made feasible to obtain performance data and effectiveness of the developed classification algorithm. The results have confirmed the reliability of the tool. This investigation is framed within Consolider-Ingenio 2010 project titled “Programa de investigación en tecnologías para la valoración y conservación del patrimonio cultural” (ref. CSD2007-00058) by Consejo Superior de Investigaciones Científicas and Universidad Politécnica de Madrid.

Evaluation of a Change Detection Methodology by Means of Binary Thresholding Algorithms and Informational Fusion Processes

Landcover is subject to continuous changes on a wide variety of temporal and spatial scales. Those changes produce significant effects in human and natural activities. Maintaining an updated spatial database with the occurred changes allows a better monitoring of the Earth?s resources and management of the environment. Change detection (CD) techniques using images from different sensors, such as satellite imagery, aerial photographs, etc., have proven to be suitable and secure data sources from which updated information can be extracted efficiently, so that changes can also be inventoried and monitored. In this paper, a multisource CD methodology for multiresolution datasets is applied. First, different change indices are processed, then different thresholding algorithms for change/no_change are applied to these indices in order to better estimate the statistical parameters of these categories, finally the indices are integrated into a change detection multisource fusion process, which allows generating a single CD result from several combination of indices. This methodology has been applied to datasets with different spectral and spatial resolution properties. Then, the obtained results are evaluated by means of a quality control analysis, as well as with complementary graphical representations. The suggested methodology has also been proved efficiently for identifying the change detection index with the higher contribution.

Improving Wishart Classification of Polarimetric SAR Data Using the Hopfield Neural Network Optimization Approach.

This paper proposes the optimization relaxation approach based on the analogue Hopfield Neural Network (HNN) for cluster refinement of pre-classified Polarimetric Synthetic Aperture Radar (PolSAR) image data. We consider the initial classification provided by the maximum-likelihood classifier based on the complex Wishart distribution, which is then supplied to the HNN optimization approach. The goal is to improve the classification results obtained by the Wishart approach. The classification improvement is verified by computing a cluster separability coefficient and a measure of homogeneity within the clusters. During the HNN optimization process, for each iteration and for each pixel, two consistency coefficients are computed, taking into account two types of relations between the pixel under consideration and its corresponding neighbors. Based on these coefficients and on the information coming from the pixel itself, the pixel under study is re-classified. Different experiments are carried out to verify that the proposed approach outperforms other strategies, achieving the best results in terms of separability and a trade-off with the homogeneity preserving relevant structures in the image. The performance is also measured in terms of computational central processing unit (CPU) times.

Análisis de las Observaciones sub-hora de la Radiación Solar registrada por las Estaciones Meteorológicas Voluntarias de la red MeteoClimatic

Enriquecer el conocimiento sobre la Radiación Solar (RS) a nivel del suelo es de gran interés para diferentes aplicaciones meteorológicas entre ellas el área de las energías renovables como la energía solar. La interpolación de observaciones de RS por estaciones en tierra, los sensores remotos y la ejecución de distintos modelos son algunas de las formas que existen para obtener valores de RS con continuidad espacial en el terreno. Aunque se sabe que los mejores valores de RS en la superficie son los observados por estaciones terrestres, este tipo de observaciones presentan como desventaja una baja distribución geográfica. En este trabajo se propone el uso de estaciones meteorológicas de voluntarios no oficiales (Meteoclimatic, Weather, Underground, Weather, Link, CWOP) las cuales son fuentes de Información Geográfica por Voluntarios (Volunteered Geographic Information - VGI) que proporcionan sus observaciones RS en tiempo real a través de Internet como una alternativa para densificar la disponibilidad y distribución espacial de las observaciones por RS a nivel superficial. En este trabajo se desarrolla una metodología que contempla tanto la recolección de las observaciones, como su alineación temporal para finalizar con el análisis de los datos indicando sus valores de incertidumbre a medida que se integra en una Base de Datos que integra las distintas fuentes de datos utilizadas. Los resultados indican que el error RS relativo entre las estimaciones por satélite y las observaciones en superficie no es constante a lo largo del día y por tanto debe analizarse mediante agrupaciones. También se ha observado que dicho error puede verse afectado por la localización de la estación meteorológica, en concreto se ha apreciado una relación directa entre el error relativo y la diferencia entre las longitudes de la ubicación de las estaciones superficiales en tierra y el satélite. Ésta misma comparación siguiere que es correcto considerar el uso de Meteoclimatic (la red Voluntaria tomada como piloto) como una fuente de observaciones de la RS importante al presentar un error esperado y aportar aproximadamente 10 veces más estaciones meteorológicas RS que la red oficial en España aportando un buen precedente para la integración de más redes voluntarias en la densificación de observaciones de la RS con estaciones en tierra.

Integration of Virtual Map Rooms as a support tool in historical and social research

At the present time almost all map libraries on the Internet are image collections generated by the digitization of early maps. This type of graphics files provides researchers with the possibility of accessing and visualizing historical cartographic information keeping in mind that this information has a degree of quality that depends upon elements such as the accuracy of the digitization process and proprietary constraints (e.g. visualization, resolution downloading options, copyright, use constraints). In most cases, access to these map libraries is useful only as a first approach and it is not possible to use those maps for scientific work due to the sparse tools available to measure, match, analyze and/or combine those resources with different kinds of cartography. This paper presents a method to enrich virtual map rooms and provide historians and other professional with a tool that let them to make the most of libraries in the digital era.

Modelización del registro y proceso de datos espectrales, referidos a superficies líticas, en un ámbito arqueológico.

La determinación del origen de un material utilizado por el hombre en la prehistoria es de suma importancia en el ámbito de la arqueología. En los últimos años, los estudios de procedencia han utilizado técnicas que suelen ser muy precisas pero con el inconveniente de ser metodologías de carácter destructivo. El fenómeno de la minería a gran escala es una de las características que acompaña al Neolítico, de ahí que la revolución correspondiente a este periodo sea una de las etapas más importantes para la humanidad. El yacimiento arqueológico de Casa Montero es una mina de sílex neolítica ubicada en la Península Ibérica, de gran importancia por su antigüedad y su escala productiva. Este sitio arqueológico corresponde a una cantera de explotación de rocas silícicas desarrollada en el periodo neolítico en la que solamente se han encontrado los desechos de la extracción minera, lo cual incrementa la variabilidad de las muestras analizadas, de las que se desconoce su contexto económico, social y cultural. Es de gran interés arqueológico saber por qué esos grupos neolíticos explotaban de forma tan intensiva determinados tipos de material y cuál era el destino de la cadena productiva del sílex. Además, por ser una excavación de rescate, que ha tenido que procesar varias toneladas de material, en un tiempo relativamente corto, requiere de métodos expeditivos de clasificación y manejo de dicho material. Sin embargo,la implementación de cualquier método de clasificación debe evitar la alteración o modificación de la muestra,ya que,estudios previos sobre caracterización de rocas silícicas tienen el inconveniente de alterar parcialmente el objeto de estudio. Por lo que el objetivo de esta investigación fue la modelización del registro y procesamiento de datos espectrales adquiridos de rocas silícicas del yacimiento arqueológico de Casa Montero. Se implementó la metodología para el registro y procesamiento de datos espectrales de materiales líticos dentro del contexto arqueológico. Lo anterior se ha conseguido con la aplicación de modelos de análisis espectral, algoritmos de suavizado de firmas espectrales, reducción de la dimensionalidad de las características y la aplicación de métodos de clasificación, tanto de carácter vectorial como raster. Para la mayoría de los procedimientos se ha desarrollado una aplicación informática validada tanto por los propios resultados obtenidos como comparativamente con otras aplicaciones. Los ensayos de evaluación de la metodología propuesta han permitido comprobar la eficacia de los métodos. Por lo que se concluye que la metodología propuesta no solo es útil para materiales silícicos, sino que se puede generalizar en aquellos procesos donde la caracterización espectral puede ser relevante para la clasificación de materiales que no deban ser alterados, además, permite aplicarla a gran escala, dado que los costes de ejecución son mínimos si se comparan con los de métodos convencionales. Así mismo, es de destacar que los métodos propuestos, representan la variabilidad del material y permiten relacionarla con el estado del yacimiento, según su contenido respecto de las tipologías de la cadena operativa. ABSTRACT: The determination of the origin of a material used by man in prehistory is very important in the field of archaeology. In recent years the provenance studies have used techniques that tend to be very precise but with the drawback of being destructive methodologies. The phenomenon of mining on a large scale is a feature that accompanies the Neolithic period; the Neolithic revolution is one of the most important periods of humanity. The archaeological site of Casa Montero is a Neolithic flint mine located in the Iberian Peninsula of great importance for its antiquity and its scale. This archaeological site corresponds to a quarry exploitation of silicic rocks developed in the Neolithic period, in which only found debris from mining, which increases the variability of the samples analyzed, including their economic, social and cultural context is unknown. It is of great archaeological interest to know why these Neolithic groups exploited as intensive certain types of material and what the final destination of flint was in the productive chain. In addition, being an excavation of rescue that had to process several tons of material in a relatively short time requires expeditious methods of classification and handling of the material. However, the implementation of any method of classification should avoid the alteration or modification of the sample, since previous studies on characterization of silicic rocks have the disadvantage of destroying or partially modify the object of study. So the objective of this research wasthe modeling of the registration and processing of acquired spectral data of silicic rocks of the archaeological site of Casa Montero. The methodology implemented for modeling the registration and processing of existing spectral data of lithic materials within the archaeological context, was presented as an alternative to the conventional classification methods (methods destructive and expensive) or subjective methods that depend on the experience of the expert. The above has been achieved with the implementation of spectral analysis models, smoothing of spectral signatures and the dimensionality reduction algorithms. Trials of validation of the proposed methodology allowed testing the effectiveness of the methods in what refers to the spectral characterization of siliceous materials of Casa Montero. Is remarkable the algorithmic contribution of the signal filtering, improve of quality and reduction of the dimensionality, as well the proposal of using raster structures for efficient storage and analysis of spectral information. For which it is concluded that the proposed methodology is not only useful for siliceous materials, but it can be generalized in those processes where spectral characterization may be relevant to the classification of materials that must not be altered, also allows to apply it on a large scale, given that the implementation costs are minimal when compared with conventional methods.

Análisis de metodologías para la medida de la resistencia a tracción por spalling

En el presente trabajo se presenta un estudio teórico y experimental de la determinación de la resistencia a tracción de materiales frágiles a partir de la técnica experimental de spalling. Se utilizan diferentes metodologías propuestas por varios autores para determinar la resistencia a tracción por spalling y se lleva a cabo un estudio mediante simulaciones numéricas de las diversas variables que influyen en este tipo de ensayos. Además, se realiza una campaña experimental de ensayos a una alúmina del 99,5% de pureza cuyos resultados son utilizados para la determinación de la resistencia a tracción de este material a partir de tres métodos diferentes propuestos por varios autores. Se expone el estudio y comparación de los resultados experimentales obtenidos de resistencia a tracción de la alúmina empleando técnicas de fotografía a alta velocidad y un sistema de correlación digital de imágenes. Los resultados muestran que la resistencia a tracción obtenida difiere en función de las diferentes metodologías propuestas.A theoretical and experimental study of the tensile strength of brittle materials using the experimental procedure of spalling of long bars is presented in this article. Different methodologies proposed by several authors are used to obtain the tensile strength of Al2O3 monolithic ceramic. The hypotheses needed for the experimental set-up are also checked, and the requirements of the set-up and the variables are also studied by means of numerical simulations. An experimental campaign has been carried out including high speed video and a digital image correlation system to obtain the tensile strength of alumina. Finally, a comparison of the test results provided by three different methods proposed by different authors are presented. The tensile strength obtained from three different methods on the same specimens provides different results.

Modelo metodológico y cartográfico sobre vulnerabilidad urbana en un ámbito histórico-artístico : el caso de Nuevo Baztán.

El propósito del presente Proyecto de Fin de Carrera consiste en la elaboración de un modelo metodológico y cartográfico sobre vulnerabilidad urbana aplicado al caso del entorno histórico-artístico del municipio madrileño de Nuevo Baztán, pero extensible y aplicable a cualquier otro municipio de características similares en cuanto a extensión e historia se refiere. El trabajo consta de dos partes bien diferenciadas: una primera topográfica, mientras que la segunda se centra en el propósito capital de este proyecto, esto es, el estudio de vulnerabilidad urbana. En efecto, la primera fase de este trabajo se centra en la realización de un levantamiento topográfico, cuyo grado de detalle a la hora de dar coordenadas a puntos tendrá como finalidad la obtención de un plano a escala 1/500. Dicho levantamiento se lleva a cabo por medio de una doble poligonal encuadrada, sirviendo como canevás para a continuación efectuar, a partir de ella, una radiación a partir de las mismas, donde se obtienen las coordenadas de la nube de puntos que integrarán este primer objetivo de carácter topográfico, pero sobre todo cartográfico. Obtenida esa base cartográfica a partir de su procesamiento y edición en AutoCAD, se procede a implementar la segunda y principal fase de este Proyecto, el estudio de vulnerabilidad urbana. Este estudio se focaliza en dos aspectos fundamentales: la conservación y grado de deterioro de los materiales que integran el elemento a estudiar, y el grado de adecuación o impacto en el paisaje urbano que tiene dicho elemento digno de estudio. A su vez, los elementos que se proceden a estudiar se clasifican en tres categorías: edificaciones, mobiliario urbano y pavimentación. Con arreglo a esto, se preestablecen las escalas de valoración, y justamente a continuación se implementa el proceso de evaluación en todo el entorno histórico-artístico del municipio. La culminación de este trabajo tiene como objetivo reflejar esa evaluación de vulnerabilidad en la cartografía preexistente. Para ello, se diseñan dos escalas de color, una cromática y otra de intensidad (niveles de gris), reflejando la conservación y la adecuación respectivamente. La combinación de ambas dará como resultado final un plano donde se reflejarán todos los aspectos de la evaluación de forma temática, con diferentes tonalidades e intensidades de colores, dando una idea de la vulnerabilidad urbana, como concepto general, en la totalidad del entorno histórico-artístico de Nuevo Baztán. Como trabajo añadido, se procede a elaborar también una cartografía donde quedan reflejadas las mejores visuales a los elementos arquitectónicos de mayor interés, en el contexto de un itinerario turístico considerado como el más idóneo.