En aquesta tesi doctoral s'estudia el comportament acústic dels monestirs cistercencs masculins del Camp de Tarragona. Existeixen estudis anteriors sobre l'acústica d'abadies cistercenques, de la Provença francesa i del nord d'Itàlia, els resultats dels quals plantegen un suposat coneixement avançat d'acústica per part dels monjos cistercencs. No obstant això, les dades disponibles per a aquesta tipologia arquitectònica, per l'antiguitat i metodologia dels estudis, són limitats i, en ocasions, els paràmetres estudiats són poc rellevants. Es planteja així la possibilitat d'un estudi complet de les principals estances dels monestirs per determinar la seva resposta acústica i replantejar les teories proposades en els estudis anteriors L'arquitectura cistercenca ve marcada per l'estricta contemplació que de la Regla de Sant Benet va implantar Bernard de Claraval. En el seu escrit de 1124 Apologia a Guillermo, Bernaro va establir els criteris teòrics que després s'emprarien en la construcció de totes les abadies cistercenques. La base d'aquests és l'esperit de pobresa i / En esta tesis doctoral se estudia el comportamiento acústico de los monasterios cistercienses masculinos del Camp de Tarragona. Existen estudios anteriores sobre la acústica de abadías cistercienses, de la Provenza francesa y del norte de Italia, cuyos resultados plantean un supuesto conocimiento avanzado de acústica por parte de los monjes cisterciense. No obstante, los datos disponibles para esta tipología arquitectónica, por la antigüedad y metodología de los mismos, son limitados y, en ocasiones, los parámetros estudiados son poco relevantes. Se plantea así la posibilidad de un estudio completo de las principales estancias de los monasterios para determinar su respuesta acústica y replantear las teorías propuestas en los estudios anteriores La arquitectura cisterciense viene marcada por la estricta contemplación que de la Regla de San Benito implantó Bernardo de Claraval. En su escrito de 1124 Apología a Guillermo, Bernardo estableció los criterios teóricos que luego se emplearían en la construcción de todas las abadías cistercienses. La base de estos es el espíritu de pobreza / In this doctoral thesis there is studied the acoustic behavior of the Cistercian masculine monasteries of the Camp of Tarragona. Previous studies exist on the acústica of Cistercian abbeys, of the French Provence and of the north of Italy, which results raise a supposed advanced knowledge of acoustics on the part of the monks Cistercian. Nevertheless, the available information for this architectural typology, for the antiquity(antique) and methodology of the same ones, is limited and, in occasions, the studied parameters are slightly relevant. There appears this way the possibility of a complete study of the principal stays of the monasteries to determine his(her,your) acoustic response and to restate the theories proposed in the previous studies. The Cistercian architecture comes marked by the strict contemplation that of St Benedict's Rule Bernard de Claraval implemented. In his writing of 1124 Apology to William, Bernard established the theoretical criteria that then would be used in the construction of all the Cistercian abbeys. The base of these is the spirit of poverty and rigorous asceticism

El uso de imágenes de UltraSonidoIntraVascular (IVUS) para la extracción de información cuantitativa sirve de gran ayuda en el diagnóstico y tratamiento de vasos arteroscleróticos. En la actualidad, esta clase de análisis es realizado por los médicos en forma semi-empírica, sin tomar en cuenta los principios que rigen la generación de la imagen, de la misma manera que tampoco se toma en cuenta la evolución temporal de la pared del vaso. Este hecho empobrece el uso de esta técnica, debido a que el análisis y la interpretación de las imágenes se basa sólo en los valores de los niveles de gris y en el comportamiento morfo-geométrico estático de la pared del vaso.Tomando en cuenta esta carencia técnica y conceptual, hemos dividido esta tesis doctoral en cuatro vías de investigación: La primera, está referida al trabajo experimental, que tiene como objetivo justificar nuestras hipótesis principales. En segundo lugar, hemos desarrollado e implementado un modelo básico de simulación con el propósito de obtener datos IVUS en forma sintética. En tercer lugar, hemos desa-rrollado una nueva metodología general que nos permite estimar desde el punto de vista del catéter el comportamiento cinemático de la pared del vaso y finalmente hemos propuesto un modelo genérico que permite obtener la reconstrucción geométrica del vaso en 2.5D. El trabajo experimental fue hecho con corazones de cerdo y de ternera, enfocándose principalmente a estudiar la micro-arquitectura de la pared del vaso y su modificación geométrica debido a parámetros externos. Hemos analizado por separado y desde el punto de vista de imágenes IVUS, la evolución morpho-geométrica de la pared del vaso en los cortes longitudinales, debido a la presión pulsátil radial y a una rotación externa inducida al corazón de experimentación. El análisis dinámico realizado fue extrapolado a una muestra de 30 casos clínicos llevados a cabo por el Laboratorio de Hemodinámica del "Hospital Universitari Germans Tries i Pujol" de Badalona-España en cooperación con Boston Scientific-USA.En lo que se refiere al modelo de simulación para obtener data IVUS 2D, está basado en los principios básicos de transmisión y recepción de ondas de sonido de alta frecuencia, al penetrar éstas radialmente una estructura arterial simulada. Hemos hecho una validación extensiva, comparando imágenes simuladas y reales, contrastando con la opinión de expertos quienes han delineado manualmente la configuración real de las capas del vaso. Para este propósito, definimos procedimientos que permiten extraer parámetros cuantitativos para medir similitudes globales y locales en las imágenes obtenidas. El modelo tiene diferentes utilidades. Primero, expertos médicos, así como investigadores en el área de visión, pueden generar imágenes simuladas con el objetivo de observar diferentes estructuras arteriales de interés clínico y compararlas con la distribución de niveles de gris en imágenes reales. Segundo, investigadores y médicos pueden usar nuestro modelo para aprender y comparar la influencia de los diferentes parámetros físicos en la formación de imágenes IVUS. En tercer lugar, este modelo puede servir para generar grandes bases de datos sintéticas bajo diferentes condiciones y parámetros de adquisición, para ser usadas en la validación de la robustez de técnicas de procesamiento de imágenes.La tercera área de investigación que hemos abordado en esta tesis doctoral, ha sido el desarrollo de un modelo geométrico y cinemático, que tiene como propósito estudiar la evolución de la pared de las arterias coronarias desde el punto de vista del catéter. El modelo está basado en resultados experimentales los cuales demuestran que la evolución de la pared arterial en una secuencia de IVUS, puede ser modelada asumiendo dos contribuciones principales, que provienen de diferentes razones físicas: la primera contribución, es causada por propiedades geométricas intrínsecas de la arteria y la segunda contribución proviene de la dinámica oscilante del ventrículo. Estas contribuciones gobiernan en mayor grado la apariencia de los perfiles de la pared arterial en las vistas longitudinales. Usando estas afirmaciones, hemos generado las estrategias metodológicas con el propósito de estimar y suprimir las distorsiones dinámicas de las secuencias de IVUS.La nueva formulación conceptual nos permite separar las contribuciones geométricas que dependen de la arquitectura intrínseca de la pared del vaso de las contribuciones dinámicas procedentes del movimiento del corazón. Finalmente, y dado que esta separacion es posible, hemos generado las bases fundamentales para la reconstrucción 2.5D del vaso desde el punto de vista del catéter, solamente haciendo uso de datos de IVUS. Esta metodología también podría usarse como una técnica alternativa que permite estimar la dinámica del corazón dado que el modelo contiene en forma explícita los parámetros necesarios para cuantificarla. En este sentido, se provee en esta tesis de una nueva posibilidad que permite potenciar la técnica IVUS como herramienta de exploración y de diagnóstico médico. / Extraction of quantitative information from (IVUS) images is very helpful for the diagnosis and treatment of atherosclerotic vessels. At the moment, this kind of analysis is carried out manually by physicians without taking into account the ultrasonic signal principles of the image grey level generation and the temporal evolution of vessel wall. This fact leads to a simplified use, analysis and interpretation of IVUS images based only on the grey level values of image pixels and vessel wall static morpho-geometric behavior. In this sense, this PhD thesis has been divided in four research ways: First one, experimental work, that has as objective to justify our principal hypothesis. Second one, we developed a basic simulation model, with the purpose to obtain IVUS data in a simulated way. Third one, we developed general methodology that allows to estimate from catheter point of view the vessel wall kinematics behavior. Finally we proposed a generic model to obtain 2.5D IVUS vessel reconstruction. The experimental work was done using pig and calf healthy heart and was focused on the vessel wall micro-architecture analysis studying its temporal evolution when external parameters were varying. We have analyzed separately from IVUS images point of view (using longitudinal cuts), the vessel wall morpho- geometric evolution, due to radial pulsatile pressure and an induced external rotation done to the experimentation heart. The dynamical analysis that was done was extrapolated to a study sample of 30 clinical cases studied by "Hospital Universitari Germans Tries i Pujol" of Badalona Spain in cooperation with Boston Scientific USA.In the second research way, we developed an IVUS simulation model to obtain 2D IVUS data based on the basic transmission and reception properties of high frequency sound waves, when these radially penetrate a simulated arterial structure. We discuss an extensive validation, comparing simulated and real images, and contrasting the expert opinion respect to the manually delineation of real vessel layers, to test its usability. To this purpose, we define procedures to extract quantitative parameters that permit to measure the global and local similarity of the images obtained. The model has different utilities: Firstly, medical expert and computer vision researchers can generate simulated IVUS images in order to observe different arterial structures of clinical interest and their grey level distribution in real images. Secondly, researchers and doctors can use our model to learn and to compare the influence of different physical parameters in the IVUS image formation. Third, this model can generate large database of synthetic data under different device and acquisition parameters to be used to validate the robustness of image processing techniques.In the third research line, we develop a geometric and kinematic model in order to study the evolution of coronary artery wall from catheter point of view. The model is based on experimental results which demonstrate that the evolution of the arterial wall, can be modelled assuming two principal contributions that come from different physical reasons. The first one, a systematic contribution caused by geometric intrinsic arterial properties and the second one, an oscillating contribution that comes from ventricle dynamics. These contributions govern in major degree the profiles appearance of arterial wall in longitudinal views. Using these assumption we generate the methodological strategies in order to estimate and suppress IVUS dynamical distortions. The new conceptual formulation allows to separate geometric contribution that depends on intrinsical vessel wall micro-architecture from dynamical contribution that comes from heart movement. Finally, being possible this separation, we generated the fundamental basis to $2.5D$ vessel reconstruction from catheter point of view, only using IVUS data. This methodology can be used as alternative technique to evaluate the dynamic of the heart, due to the fact that model dependence has explicitly the parameters to be estimated. In this way, we provide in this PhD thesis a new possibility that allows to give new potential to the IVUS technique as an exploratory and medical diagnostic tools.

La presencia simultánea de múltiples fluidos con diferentes propiedades ocurre en numerosos problemas medioambientales, procesos industriales y situaciones de la vida diaria. Algunos ejemplos son la interacción fluido-combustible en la extracción mejorada de petróleo, mezcla de polímeros, emulsiones en productos alimentarios, formación de gotas de lluvia en nubes, inyección en motores de combustión o reactores de columna de burbujas. A pesar de que los flujos de multi-fluidos son muy frecuentes, todavía suponen un reto tanto desde el punto de vista teórico como computacional. En el caso de fluidos inmiscibles, la dinámica de la interfase entre fluidos juega un papel determinante. El éxito en la simulación de estos flujos dependerá de la capacidad del método numérico de modelar con precisión la interfase y los fenómenos que tienen lugar en ella. En este trabajo nos hemos centrado en entender la principios físicos básicos de los multi-fluidos y las dificultades que aparecen en su simulación numérica. Hemos extendido el Particle Finite Element Method (PFEM) a problemas de varios fluidos diferentes con el objetivo de explotar el hecho de que los métodos lagrangianos son especialmente adecuados para el seguimiento de todo tipo de interfases. Hemos desarrollado un esquema numérico capaz de tratar grandes saltos en las propiedades físicas (densidad y viscosidad), de incluir la tensión superficial y de representar las discontinuidades de las variables del flujo. El esquema se basa en desacoplar las variables de posición de los nodos, velocidad y presión a través de la linearización de Picard y un método de segregación de la presión que tiene en cuenta las condiciones de interfase. La interfase se ha definido alineada con la malla móvil, de forma que se mantiene el salto de propiedades físicas sin suavizar a lo largo del tiempo. Además, los grados de libertad de la presión han sido duplicados en los nodos de interfase para representar la discontinuidad de esta variable debido a la tensión superficial y a la viscosidad variable, y la malla ha sido refinada cerca de la interfase para mejorar la precisión de la simulación. Hemos aplicado el esquema resultante a diversos problemas académicos y geológicos, como el sloshingde dos fluidos, extrusión de fluidos viscosos, ascensión y rotura de una burbuja dentro de una columna de líquido, mezcla de magmas y fuentes invertidas (negatively buoyant jet). / The simultaneous presence of multiple fluids with different properties in external or internal flows is found in daily life, environmental problems, and numerous industrial processes, among many other practical situations. Examples arefluid-fuel interaction in enhanced oil recovery, blending of polymers, emulsions in food manufacturing, rain droplet formation in clouds, fuel injection in engines, and bubble column reactors, to name only a few. Although multi-fluid flows occur frequently in nature and engineering practice, they still pose a major research challenge from both theoretical and computational points of view. In the case of immiscible fluids, the dynamics of the interface between fluids plays a dominant role. The success of the simulation of such flows will depend on the ability of the numerical method to model accurately the interface and the phenomena taking place on it. In this work we have focused on understanding the basic physical principles of multi-fluid flows and the difficulties that arise in their numerical simulation. We have extended the Particle Finite Element Method to problems involving several different fluids with the aim of exploiting the fact that Lagrangian methods are specially well suited for tracking any kind of interfaces. We have developed a numerical scheme able to deal with large jumps in the physical properties, included surface tension, and able to accurately represent all types of discontinuities in the flow variables at the interface. The scheme is based on decoupling the nodes position, velocity and pressure variables through the Picard linearization and a pressure segregation method which takes into account the interface conditions. Theinterface has been defined to be aligned with the moving mesh, so that it remains sharp along time. Furthermore, pressure degrees of freedom have been duplicated at the interface nodes to represent the discontinuity of this variable due to surface tension and variable viscosity, and the mesh has been refined in the vicinity of the interface to improve the accuracy of the computations. We have applied the resulting scheme to several academic and geological problems, such as the two-fluid sloshing, extrusion of viscous fluids, bubble rise and break up, mixing of magmatic liquids and negatively buoyant jets.

Metal cutting or machining is a process in which a thin layer or metal, the chip, is removed by a wedge-shaped tool from a large body. Cutting is a complex physical phenomena in which friction, adiabatic shear bands, excessive heating, large strains and high rate strains are present. Tool geometry, rake angle and cutting speed play an important role in chip morphology, cutting forces, energy consumption and tool wear. The main objective of this work is precisely to contribute to solve some of the problems described above through the extension of the Particle Finite Element Method (PFEM) to thermo-mechanical problems in solid mechanics which involve large strains and rotations, multiple contacts and generation of new surfaces, with the main focus in the numerical simulation of metal cutting process. The new ingredients of PFEM are focused on the insertion and remotion of particles, the use of constrained Delaunay triangulation and a novel transfer operator of the internal variables. The thermo-mechanical problem, formulated in the framework of continuum mechanics, is integrated using an isothermal split in conjunction with implicit, semi-explicit and IMPLEX schemes. The tool has been discretized using a standard three-node triangle finite element. The workpiece has been discretized using a mixed displacement-pressure finite element to deal with the incompressibility constraint imposed by plasticity. The mixed finite element has been stabilized using the Polynomial Pressure Projection (PPP), initially applied in the literature to the Stokes equation in the field of fluid mechanics. The behavior of the tool is described using a Neo-Hookean Hyperelastic constitutive model. The behavior of the workpiece is described using a rate dependent, isotropic, finite strain j2 elastoplasticity with three different yields functions used to describe the strain hardening, the strain rate hardening and the thermal softening (Simo, Johnson Cook, Baker) of different materials under a wide variety of cutting conditions. The friction at the tool chip interface is modeled using the Norton-Hoff friction law. The heat transfer at the tool chip interface includes heat transfer due to conduction and friction. To validate the proposed mixed displacement-pressure formulation, we present three benchmark problems which validate the approach, namely, plain strain Cook ¿s membrane, the Taylor impact test and a thermo-mechanical traction test. The isothermal-IMPLEX split presented in this work has been validated using a thermo-mechanical traction test. Besides, in order to explore the possibilities of the numerical model as a tool for assisting in the design and analysis of metal cutting processes a set of representative numerical simulations are presented in this work, among them: cutting using a rate independent yield function, cutting using different rake angles, cutting with a deformable tool and a frictionless approach, cutting with a deformable tool including friction and heat transfer, the transition from continuous to serrated chip formation increasing the cutting speed. Our simulations demonstrate the ability of the PFEM to predict chip morphologies consistent with experimental observations. Also, our results show that the suitable selection of the global time integration scheme may involve savings in computation time up to 9 times. Furthermore, this work present a sensibility analysis to cutting conditions by means of a Design of Experiments (DoE). The Design of Experiments carried out with PFEM has been compared with DoE carried out with AdvantaEdge, Deform, Abaqus and Experiments. The results obtained with PFEM and other numerical simulations are very similar, while, a comparison of numerical simulations and experiments show some differences in the output variables that depend on the friction phenomena. The results suggest that is necessary to improve the modelization of the friction at the tool-chip interface. / El mecanizado de metal es un proceso en el que una capa delgada de metal se retira por una herramienta en forma de cuña de un cuerpo grande. El corte es un complejo de fenómenos físicos en los que la fricción, bandas de cizalla adiabáticas, calentamiento excesivo, grandes deformaciones y de alta velocidad de las herramientas están presentes. La geometría de la herramienta, ángulo de ataque y la velocidad de corte juegan un papel importante en la morfología de la viruta, las fuerzas, el consumo de energía y desgaste de la herramienta de corte. El objetivo principal del trabajo es contribuir precisamente a resolver algunos de los problemas descritos anteriormente a travésde la extensión del PFEM a los problemas termo-mecánicos en mecánica de sólidos que implican grandes deformaciones y rotaciones, múltiples contactos y generación de nuevas superficies, con el foco principal en la simulación numérica de procesos de corte de metal. El problema termomecánico, formulado en el marco de la mecánica de medios continuos, se integra usando un esquema isotérmico junto con esquemas implícitos, semi-explícito y Implex. La herramienta ha sido discretizado utilizando un elemento finito triangular de tres nodos estándar. La pieza se discretizado utilizando un elemento finito desplazamiento presión mixta para hacer frente a la condición de incompresibilidad impuesto por la plasticidad. El elemento finito mixto se ha estabilizado mediantela proyección polinómica Presión, aplicado inicialmente en la literatura para la ecuación de Stokes. El comportamiento de la herramienta se describe usando un modelo constitutivo hiperelástico Neo Hookean. El comportamiento de la pieza de trabajo se describe usando un modelo isotrópico, con elastoplasticidad j2 y con tres funciones diferentes que se utilizan para describir el endurecimiento por deformación, endurecimiento de la velocidad de deformación y el ablandamiento térmico de diferentes materiales bajo una amplia variedad de condiciones de corte. La fricción en la interfaz de la herramienta-viruta se modela utilizando la fricción ley Norton-Hoff . La transferencia de calor en la interfase herramienta-viruta incluye la transferencia de calor por conducción y por fricción. Para validar la formulación desplazamiento presión mixto propuesto, se presentan tres problemas de referencia (la membrana de la tensión normal de Cook, la prueba de impacto Taylor y una prueba de tracción termomecánica ). La división isotérmica -IMPLEX presentada en este trabajo ha sido validado mediante un ensayo de tracción termomecánica. Además, con el fin de explorar las posibilidades del modelo como una herramienta para ayudar en el análisis de los procesos decorte de metal, un conjunto de simulaciones se presentan en este trabajo, entre ellas : corte de una material con tensión defluencia independiente de la tasa de deformación, cortando utilizando diferentes ángulos de ataque, corte con herramientas decorte deformables incluyendo la fricción y la transferencia de calor, la transición de la continua para la formación de virutadentada aumento de la velocidad de corte. Además, nuestros resultados muestran que la selección adecuada del esquema global de integración de tiempo puede suponer un ahorro en el tiempo de cálculo hasta 9 veces. Por otra parte, este trabajo presenta un análisis de sensibilidad a las condiciones de corte mediante un diseño de experimentos (DOE). El diseño de experimentos con el llevado a cabo PFEM ha sido comparada con la llevada a cabo con el DoEAdvantaEdge, deforme, Abaqus y experimentos. Los resultados obtenidos con PFEM y otras simulaciones numéricas son muy similares, mientras que, en comparación de las simulaciones numéricas y experimentos muestran algunas diferencias en las variables de salida que dependen de los fenómenos de fricción. Los resultados sugieren que es necesario mejorar la modelización de la fricción en la interfaz de la herramienta-viruta.

The aim of this work is to present a new procedure for modelling industrial processes that involve granular material flows, using a numerical model based on the Particle Finite Element Method (PFEM). The numerical results herein presented show the potential of this methodology when applied to different branches of industry. Due to the phenomenological richness exhibited by granular materials, the present work will exclusively focus on the modelling of cohesionless dense granular flows. The numerical model is based on a continuum approach in the framework of large-deformation plasticity theory. For the constitutive model, the yield function is defined in the stress space by a Drucker-Prager yield surface characterized by two constitutive parameters, the cohesion and the internal friction coefficient, and equipped with a non-associative deviatoric flow rule. This plastic flow condition is considered nearly incompressible, so the proposal is integrated in a mixed formulation with a stabilization of the pressure term via the Polynomial Pressure Projection (PPP). In order to characterize the non-linear dependency on the shear rate when flowing a visco-plastic regularization is proposed. The numerical integration is developed within the Impl-Ex technique, which increases the robustness and reduces the iteration number, compared with a typical implicit integration scheme. The spatial discretization is addressed within the framework of the PFEM which allows treating the large deformations and motions associated to granular flows with minimal distortion of the involved finite element meshes. Since the Delaunay triangulation and the reconnection process minimize such distortion but does not ensure its elimination, a dynamic particle discretization of the domain is proposed, regularizing, in this manner, the smoothness and particle density of the mesh. Likewise, it is proposed a method that ensures conservation of material or Lagrangian surfaces by means of a boundary constraint, avoiding in this way, the geometric definition of the boundary through the classic a-shape method. For modelling the interaction between the confinement boundaries and granular material, it is advocated for a method, based on the Contact Domain Method (CDM) that allows coupling of both domains in terms of an intermediate region connecting the potential contact surfaces by a domain of the same dimension than the contacting bodies. The constitutive model for the contact domain is posed similarly to that for the granular material, defining a correct representation of the wall friction angle. In order to validate the numerical model, a comparison between experimental results of the spreading of a granular mass on a horizontal plane tests, and finite element predictions, is carried out. These sets of examples allow us validating the model according to the prediction of the different kinematics conditions of granular materials while spreading ¿ from a stagnant condition, while the material is at rest, to a transition to a granular flow, and back to a deposit profile. The potential of the numerical method for the solution and optimization of industrial granular flows problems is achieved by focusing on two specific industrial applications in mining industry and pellet manufacturing: the silo discharge and the calculation of the power draw in tumbling mills. Both examples are representative when dealing with granular flows due to the presence of variations on the granular material mechanical response. / El objetivo principal de este trabajo es presentar una nueva metodología para la simulación de procesos industriales que involucren flujos de materiales granulares, mediante un modelo numérico basado en el Método de Elementos Finitos de Partículas (PFEM, por sus siglas en inglés). Los resultados numéricos que se presentan en este documento, muestran el potencial de aplicar esta metodología a diferentes ramas de la industria. Debido a la riqueza fenomenológica exhibida por los materiales granulares, el presente trabajo se centrará exclusivamente en la simulación de flujos granulares densos sin cohesión. El modelo numérico se basa en un enfoque del medio continuo, en el marco teórico de plasticidad en grandes deformaciones. Para el modelo constitutivo, la función de fluencia se define en el espacio de tensiones mediante una superficie de fluencia del tipo Drucker-Prager caracterizada por dos parámetros constitutivos, la cohesión y el coeficiente de fricción interna, y equipado con una regla de flujo desviadora no asociada. Esta condición de flujo plástico se considera incompresible, por lo que se propone su integración mediante una formulación mixta del tipo u- p y estabilizando la expresión de la presión a través de una proyección polinomial (Polynomial Pressure Projection, PPP). A su vez, se propone una regularización visco-plástica con el fin de caracterizar la no linealidad de la velocidad de cizallamiento del material cuando fluye. La integración numérica se desarrolla en el marco de la técnica Impl-Ex, aumentando la robustez y reduciendo el número de iteraciones, en comparación con un esquema típico de integración implícito. La discretización espacial se aborda en el marco del PFEM, permitiendo el manejo de grandes deformaciones y del movimiento asociado a los flujos granulares con una distorsión mínima de las mallas de elementos finitos. La triangulación de Delaunay y el proceso de reconexión minimizan tales distorsiones pero no aseguran su eliminación; por esto, se propone una discretización en partículas del dominio dinámica y constante, regularizando de esta manera, la suavidad y la densidad de las partículas en la malla. Asimismo, se propone un método para asegura la conservación de las superficies materiales o Lagrangeanas por medio de una restricción de la frontera, evitando de esta manera, su definición geométrica a través del método clásico alpha-shape. Para el modelado de la interacción entre el material granular y las superficies de su confinamiento, se apuesta por un método basado en el Contact Domain Method (CDM) que permite el acoplamiento de ambos dominios en términos de una región intermedia que conecta las superficies potenciales de contacto – siendo este dominio de la misma dimensión que los cuerpos en contacto. El modelo constitutivo a emplear para el dominio de contacto se plantea de manera similar al del material granular, definiendo una correcta representación del ángulo de pared. Con el fin de validar el modelo numérico, se llevó a cabo una comparación entre los resultados experimentales de la difusión o desmoronamiento de una masa granular en un plano horizontal y las predicciones obtenidas mediante la simulación por medio de elementos finitos. Este conjunto de ejemplos nos permite validar el modelo de acuerdo a la predicción de las diferentes condiciones de la cinemática de los materiales granulares: desde una condición de confinamiento, con el material en reposo, a una transición hacia el flujo granular y de nuevo, a un estancamiento del material hasta definir su depósito final. El potencial del método numérico, para la solución y optimización de los problemas industriales que involucran flujos granulares, se logra enfocándose en dos aplicaciones industriales específicas en la industria minera y la fabricación de pellets: la descarga de un silo y el cálculo del consumo de energía en molinos rotacionales (tumbling mills). Ambos ejemplos son representativos en cuanto a los flujos granulares en la industria debido a la presencia de variaciones en la respuesta mecánica del material granular.

Tesi realitzada en co-tutela (Universität des Saarlandes i Universitat Politècnica de Catalunya) / One promising approach for future quantum networks is the combination of strings of trapped ions as quantum-information processors with entangled photon pairs produced by spontaneous parametric down conversion (SPDC) to establish quantum communication links between distant processing units. This work reports on experiments using a hybrid quantum-optics set-up, comprising two separate linear ion traps and a resonant SPDC photon-pair source. It demonstrates the controlled interaction of single entangled photon pairs with a single trapped 40Ca+ ion. Preparing the ion as polarization selective absorber in the main polarization bases allows for the reconstruction of the biphoton quantum state, manifesting the photon entanglement in the absorption process. Beyond that, the thesis documents the implementation of additional experimental tools enabling quantum state transfer experiments from photons to single ions. A dedicated narrowbandwidth laser system is set up, laser sequences are developed for state discrimination and state rotations of ion qubits, and for the creation and characterization of coherent superposition states, of particular importance for state-transfer schemes. Finally, detection efficiencies of single Raman photons emitted by an ion are characterized with a well controlled single-photon source, and absorption probabilities of single photons are determined with a calibrated laser beam, providing precise values to assess efficiencies for different transfer scenarios. / Un enfoque prometedor para futuras redes cuánticas es la combinación de iones atrapados con pares de fotones entrelazados que se generan por el proceso SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion). Los iones atrapados se utilizarán como procesadores de información cuántica. Los pares de fotones permitirán el establecimiento de enlaces de comunicación cuántica entre unidades de procesamiento distantes. En el transcurso de este trabajo, que se situa en el marco de la óptica cuántica, se han combinado dos implementaciones experimentales independientes para la realización de un experimento híbrido. Las dos partes del experimento corresponden con dos trampas de iones lineales separadas y con una fuente de pares de fotones resonantes creados por SPDC. En este experimento se demuestra la interacción controlada de pares de fotones individuales entrelazados con un ión atrapado individual de 40Ca+. La preparación del ión como absorbente selectivo de polarización en las bases de polarización principales permite la reconstrucción del estado cuántico de los pares de fotones, manifestando así su entrelazamiento a través del proceso de absorción. Además, en la tesis presente se documenta la implementación de herramientas experimentales adicionales que permitirán experimentos de transferencia de estados cuánticos de fotones a iones individuales. Así mismo, se describe el montaje de un sistema láser acondicionado con ancho de banda estrecho. Adicionalmente, se desarrollan secuencias de láser para la discriminación y la rotación de estados de qubits de iones y, para la creación y caracterización de estados de superposición coherente, especialmente importantes para varios esquemas de transferencia de estado. Por último, se caracterizan las eficiencias de detección de fotones individuales Raman emitidos por un ión con una fuente de fotones individuales bien controlada, así como también se determinan las probabilidades de absorción de fotones individuales con una fuente láser calibrada. Los valores precisos obtenidos servirán para la evaluación de la eficiencia de diferentes esquemas de transferencia. / Ein mögliches System für zukünftige Quantennetzwerke ist die Verknüpfung gefangener Ionen als Quanteninformationsprozessoren mit durch SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion) erzeugten verschränkten Photonenpaaren zum Aufbau von Quantenkommunikationskanälen. Diese Dissertation behandelt Experimente an einem hybriden Quantenoptikaufbau, bestehend aus zwei separaten linearen Ionenfallen und einer SPDC-Photonenpaarquelle. Sie zeigt die kontrollierte Wechselwirkung einzelner verschränkter Photonenpaare mit einem einzelnen 40Ca+ Ion. Durch Präparation des Ions als polarisationsselektiven Absorber in den drei Hauptpolarisationsbasen, wird der Zwei-Photonen-Quantenzustand rekonstruiert und somit über den Absorptionsprozess die Verschränkung der Photonenpaare nachgewiesen. Überdies dokumentiert die Arbeit die Einrichtung zusätzlicher Methoden, welche den Zustandstransfer von Photonen auf einzelne Ionen ermöglichen. Ein schmalbandiges Lasersystem wird aufgebaut, Lasersequenzen für Zustandsbestimmung und Zustandsrotationen von Ionen-Qubits und zur Erzeugung und Charakterisierung kohärenter Superpositionszustände werden entwickelt. Ferner werden mit Hilfe einer Einzelphotonenquelle Nachweiseffizienzen für einzelne, von einem Ion erzeugte, Raman-Photonen gemessen und Absorptionseffizienzen einzelner Photonen mit einer kalibrierten Laserquelle charakterisiert. Die ermittelten Werte bilden eine solide Grundlage zur Abschätzung von Erfolgswahrscheinlichkeiten geplanter Transferschemata.

Almost two centuries after the first observations of Robert Brown, the study of systems ruled by noise has become a significant part of modern physics and other so diverse situations, such as the stock market, personal networks, ecosystems, etc. In particular, we focus on the so-called small systems, where the thermal fluctuations determine the dynamics and energetics of the system. Examples of this scale are biopolymers, such as DNA or RNA, molecular motors, living cells or colloidal particles in suspension. As the energy exchanges between a small system and its environment are of the order of magnitude of thermal fluctuations, apparent violations of the classical laws of thermodynamics appear. We have studied the role of noise in biological and physical systems. As the main experimental tool we have used the optical tweezers technique, which allows one to exert forces in the pN range, as well as to spatially confine the studied objects improving the accuracy of the experiments. A highly focused laser beam creates a time and space controllable optical potential profile. This permitted to investigate noise assisted effects in different scenarios. Two biological systems were considered, namely, single DNA molecule and single bacterium. We showed that the motion of the stretched DNA molecule in the entropic regime (forces below 5 pN) includes an additional noisy component whose spectral power is proportional to 1=f . The presence of this noise may be related with changes of the probability of folding and unfolding events when the DNA strand is extended. On the other hand, we studied the trajectory of single bacteria, whose motion includes inherently noisy components. Using a novel technique with only one optical trap we measured the dynamics of a trapped single bacterium S. enterica. We found that the trajectory within a single trap can reveal the different behavior of the samples. In addition to the validation of our technique, we have characterized the phenotype of mutant cheV in anaerobic conditions. In the second part of the thesis, we studied stochastic thermodynamic using a micron-sized dielectric sphere.The control of the temperature in such experiments has a key importance to understand the energetics of the small systems. We suggested a novel technique to control the kinetic temperature of a sphere by applying of an external force with the same power spectral density (PSD) as one of the thermal noise. We experimentally tested our hypothesis in equilibrium, measuring the position histogram and PSD of the microsphere, and out of equilibrium, implementing a protocole to test Crooks theorem. We conclude that our technique allows one to control the kinetic temperature of a Brownian particle over a wide range of values, from room temperature to several thousand Kelvin with high temporal accuracy. The most obvious application of this technique is the realization of nonisothermal processes. Among them, an adiabatic process is essential although controversial in small systems. We study its meaning in a colloidal particle experiment, paying attention to the consequences of the overdamped approximation. Finally, we could realize for the first time the Carnot cycle, using a colloidal particle in a liquid as a working substance. The effect of the thermal bath is also present in the thermodynamics of information. In the last chapter, we considered the derivation of an universal equivalence between the energetics of a process and the probability of a system to choose it among other options. The obtained expression can be considered a generalization of the Landauer limit. We tested our theory in an experiment where a continuous transition from a single well to a double well potential produces a symmetry breaking affecting a Brownian particle. Moreover, combining two of the process, we were able to achieve the first realization of a Szilard engine based on symmetry breaking and symmetry restoration. / Casi dos siglos después de la observación de Robert Brown, el estudio de sistemas gobernados por ruido se ha convertido en una parte significativa de la física moderna. Con el objetivo de obtener información, y de tratar de predecir, sistemas complejos, se han trazado analogías en situaciones muy diversas, tales como el mercado de valores, las relaciones interpersonales, los ecosistemas, etc. En particular, si nos detenemos en los denominados como sistemas pequeños, podemos observar como las fluctuaciones térmicas determinan su dinámica y su energética. Al tratarse de sistemas cuyos intercambios de energía con el entorno son del orden de magnitud de las fluctuaciones, podemos observar aparentes violaciones de las leyes clásicas de la termodinámica. Ejemplos de esta escala son las diversas biomoléculas como el ADN o el ARN, los diversos motores moleculares o una célula en su conjunto, pasando por partículas coloidales en suspensión. Para el estudio de los sistemas mesoscópicos, hemos usado la técnica de la pinza óptica, la cual nos permite ejercer fuerzas del orden de picoNewtons con resolución nanométrica. Por medio de un haz fuertemente enfocado, podemos crear un potencial óptico donde objetos con índice de refracción mayor que el del medio son atrapados. En esta tesis hemos estudiado el rol del ruido en sistemas biológicos y en sistemas físicos. En primer lugar, observamos que la dinámica estacionaria de una molécula individual de ADN en el régimen entrópico (fuerzas por debajo de 5 pN) muestra una componente espectral que sigue una ley de potencias 1=f . Por otra parte, también estudiamos la trayectoria de bacterias bajo una única trampa óptica. La bacteria elegida fue la Salmonella enterica, en diversas mutaciones para poder fijar su fenotipo. En particular, además de validar la técnica, caracterizamos el fenotipo del mutante cheV en condiciones anaeróbicas. El control de la temperatura en experimentos de partículas coloidales es de una importancia clave para completar la energética de los sistemas pequeños. A pesar de que existen métodos para variar la temperatura del fluido, estos cambios están siempre acotados por límites físicos, como evaporación, y sufren de inconvenientes, como convección y cambios de la viscosidad del fluido, que impiden un estudio cómodo de los procesos no isotermos. Enunciamos una hipótesis muy sencilla: nuestra partícula coloidal es incapaz de diferenciar entre el ruido térmico y un fuerza externa de la misma naturaleza. Comprobamos que nuestra hipótesis es correcta en equilibrio y no equilibrio, por medio del estudio del histograma de posiciones, del PSD e implementando un protocolo donde poder estudiar el teorema de Crooks. La aplicación más obvia de esta técnica es la realización de procesos noisotermos. Dentro de ellos, es imprescindible la aproximación al concepto de adiabaticidad, tan presentes en la termodinámica clásica. Siendo imposible rodear de paredes adibáticas nuestro sistema, desarrollamos los diversos protocolos sugeridos durante los últimos 10 años en la literatura. Como colofón, desarrollamos el primer ciclo de Carnot experimental con partículas coloidales. El efecto del baño térmico también se encuentra presente en la termodinámica de la información. En el último capítulo de la tesis, desarrollamos una expresión analítica que relaciona la probabilidad de llevar a cabo un proceso con la energía que se puede extraer del baño térmico durante el mismo. Esta expresión puede considerarse una generalización del principio de Landauer. Gracias a la flexibilidad que nos presta el AOD para generar potenciales ópticos, comprobamos la relación con un experimento con partículas coloidales. Para terminar, presentamos un motor de Szilard con partículas coloidales, el cual permite obtener trabajo del baño térmico a través de la información disponible sobre el sistema.

Domestic architecture is the nerve centre within which human development takes place. Based on that premise, the evolution of spatial perception and the concept of intimacy in human dwellings throughout history are investigated. In order to improve domestic life, it is necessary to construct a multisensory architecture, although nowadays more value is placed on the visual, it must be specified that touch and sounds stimuli have a great im pact. This thesis focuses on the study of sound behaviour in the context of domestic architecture, considering that architecture creates barriers which modify sound waves and acts like a musical instrument which transforms these sounds giving them a special character, thus creating an acoustic environment which conditions our behaviour. To evaluate this behaviour the analysis begins with the parameters of interior acoustic quality. The special characteristics of bathrooms are examined and possible strategies are proposed to explore further acoustic response guidelines for the architectural environment. The investigation in based on the previous study of the parameters of spatial quality and the intimacy allocated to larger spaces. Furthermore, the initial hypothesis is that for human dwellings, unlike larger spaces, the transmission of sound between adjoining spaces of the dwelling and the exterior is necessary. The proposed parameters aim to evaluate the degrees of contrast of finishes in the dwelling's interior, and the ability of separations from adjoining spaces to filter sound. The proximity of surfaces surrounding the source of sounds and their users will be calculated, given that these will offer the most significant response to sound. This is done to obtain maximum spatial quality and acoustic comfort. These variables will serve as a reference to facilitate interior acoustic improvements and the specification of boundaries between different spaces. The proposal is that the investigation into architectural design and acoustic quality of bathrooms can be applied to other spaces in the home and even within the workplace. Finally, in the development of this thesis a proposal for a door is made based on various experiments. This proposal is made, having analysed the acoustic characteristics of built spaces and the quality required . lt was essential to create an element that acted as an enclosure with sufficient insulation, thus maintaining a certain degree of intimacy. Furthermore the prototype developed should allow the required ventilation for domestic sanitary conditions and assuring a good balance of sound between the interior and exterior space. The objective is, based on the points discussed in this thesis, to contribute to good construction practises so as to achieve a good perception of sound and to improve the quality of built spaces in domestic architecture. / La arquitectura doméstica es un lugar neurálgico para nuestro desarrollo personal. Está pensada por y para las personas. Las experiencias personales e interpersonales que se producen en el habitáculo interactúan con las impresiones recibidas mediante todos nuestros sistemas sensoriales. Para mejorar la vida doméstica es preciso construir una arquitectura multisensorial. La modalidad sensorial más valorada actualmente es la vista, aun así el tacto y los estímulos sonoros tienen mucha fuerza corpórea. Por ello en esta investigación pretendo indagar en la percepción auditiva, puesto que los sonidos nos vinculan directamente con la arquitectura y permiten al oyente identificar el espacio en el que se encuentra. La arquitectura modifica el recorrido de las ondas sonoras y actúa como un instrumento musical que moldea los sonidos, les confiere un carácter especial y de esta forma generan un ambiente sonoro que condiciona nuestra conducta. Me sumerjo en los espacios más pequeños y domésticos para intentar sacar algún parámetro que pueda valorar algún aspecto de la calidad. Para desmenuzarlo empiezo en la investigación de la tesis con un capítulo de análisis de la propia percepción de la persona, ya que es la base. En el segundo capítulo, describo arquitectónicamente estos espacios analizando sus cerramientos, su geometría y sus acabados. El tercer capítulo me sirve para explorar cómo se puede valorar de forma objetiva la calidad acústica buscando el fundamento en la percepción y en el espacio donde nos encontramos. Pretendo obtener un parámetro que indique el comportamiento arquitectónico sonoro. Uno de los requerimientos de las grandes salas es el aislamiento acústico máximo con el exterior porque el usuario tiene su atención auditiva dirigida a una única actividad. Para mejorar la calidad acústica en un espacio doméstico se requiere cierto aislamiento para proteger la intimidad acústica, sin embargo también se debe permitir cierta comunicación con el entorno. Para profundizar en la calidad acústica de los baños analizo sus características particulares y propongo las posibles estrategias para conseguir establecer unas pautas de análisis del diseño arquitectónico. Esta metodología debe servir de referencia para facilitar el acondicionamiento acústico interior y la delimitación del contorno de las diferentes estancias. Pretendo que el estudio del diseño arquitectónico y de la calidad acústica de los baños se pueda replicar al resto de recintos del ámbito doméstico, incluso a las oficinas de una misma entidad. Por último, en la redacción de la tesis hay un cuarto capítulo que es una propuesta basada en experimentos. Esta propuesta se crea después de haber analizado las características acústicas de los recintos y sus necesidades de calidad. Lo importante era hacer un elemento actuara como cerramiento específico, que aislara suficientemente de forma que se mantuviera cierto grado de intimidad. Además el prototipo que propongo también debe permitir la ventilación debido a la exigencia doméstica de salubridad, asegurando el equilibrio entre el interior y el exterior. Con todos estos puntos tratados pretendo incidir en la buena práctica constructiva con el objetivo de conseguir una buena percepción acústica y mejorar la calidad de los recintos de las viviendas

The aim of this work is to develop, implement and validate a technique for information transfer, in the domain decomposition methods, able to address coupled thermomechanical problems, with mixed displacement-pressure formulations. In the domain partitioning techniques, once divided a domain into a finite number of subdomains, the discretization of each subdomain component is carried out by known techniques, in this case, by the Finite Elements Method, thus, the problem lies in the correct transfer of information through the contact interface between the partitions. Many existing domain decomposition techniques enforce the coupling of triangulations across subdomains boundaries, by a partition-frame. In this work, an interface of the same dimension of the partitions is created by a simple Delaunay triangulation, this interface can be interpreted as a fictive intermediate region connecting the subdomains, which gives the method, accuracy, robustness, versatility and ability of coupling subdomains with not-matching meshes. When partitioning a domain into subdomains, one can generate the so-called floating subdomains, which are those without sufficient boundary conditions to eliminate rigid body motions. To carry out numerical simulations with the presence of floating subdomains, this work propose a new technique, low computational cost and minimally invasive that calculates robustly the pseudoinverse of the floating subdomain. In this work we demonstrate that the proposed technique, unlike some alternative methods, pass the patch test successfully, even, when there are not-matching subdomains and floating subdomains. Additionally, it has been shown from analysis of convergence and error measurements, that the results obtained by the proposed method, are comparable in terms of accuracy and speed of convergence with alternative methods incorporating a partition-frame between subdomains, and even have remarkable advantages at level precision when is compared with the coarse mortar mesh method. Knowing that the connection between subdomains is accomplished by incorporating Lagrange multipliers on the interface, to carry out simulations with mixed displacement-pressure formulations, we had to include a pressure Lagrange multiplier and their virtual work principle equations and constraint variational equations on the interface. From a validation test and analysis of convergence, it has been shown that the incorporation of this parameter is critical to achieve a good accuracy level and to obtain a correct transfer of pressure variable through interface. Similarly, to address numerical simulations of coupled thermomechanical problems, we had to include the temperature Lagrange multiplier and their respective work principle equations and constraint variational equations on the interface, showing, by a validation test, that even in metal forming problems wherein the material undergoes high plastic deformation, the proposed domain partitioning technique achieves results in robustness and accuracy comparable with monolithic numerical simulations. In order to use the proposed method in the context of parallel computing, the technique has been implemented such that each subdomain can be processed independently. It is for this reason that we have used the substructures method for calculating the variables (displacement, pressure and temperature). / Este trabajo de investigación tiene como objetivo principal, desarrollar, implementar y validar una técnica de transferencia de información, en los métodos de descomposición de dominios, capaz de abordar problemas termomecánicos acoplados con formulaciones mixtas desplazamiento-presión. En las técnicas de partición de dominios, una vez dividido un dominio en un número finito de subdominios, la discretización de cada uno de los componentes internos o subdominios, se lleva a cabo mediante técnicas conocidas, en este caso, mediante la técnica de los Elementos Finitos, con lo cual, el problema se centra en la correcta transferencia de información a través de la interfaz de contacto entre las particiones. En la mayoría de los métodos alternativos de descomposición de dominios, la interfaz entre subdominios se genera mediante la creación de un marco de partición. En este trabajo por el contrario, se propone la generación de una malla de interfaz, de espesor nulo entre fronteras, por degeneración de una triangulación de Delaunay. Esta forma tan sencilla de generar la interfaz le confiere al método, además de precisión y robustez, versatilidad, ya que las mallas de los subdominios pueden ser arbitrariamente no coincidentes en sus fronteras, con lo cual, no se está supeditado a utilizar la misma discretización en cada una de las particiones, ni el mismo tipo de elementos en cada subdominio. Al particionar un dominio en subdominios, se pueden generar los denominados subdominios flotantes, que son aquellos que carecen de las condiciones de contorno suficientes para eliminar los movimientos de sólido rígido. Para poder llevar a cabo simulaciones numéricas con la presencia de subdominios flotantes, en este trabajo se propone una técnica innovadora, de bajo coste computacional y mínimamente invasiva a nivel de implementación, que permite calcular de forma robusta la pseudoinversa del subdominio flotante. Se demuestra, que la técnica propuesta, a diferencia de algunos métodos alternativos, pasa el ¿patch test¿ de forma satisfactoria, aun y cuando existen subdominios flotantes y mallas no coincidentes. Adicionalmente, se ha demostrado a partir de análisis de convergencia y medidas del error, que los resultados obtenidos mediante el método propuesto, son comparables, a nivel de precisión y velocidad de convergencia, con métodos alternativos que incorporan un marco de partición entre subdominios y que incluso, puede presentar ventajas notables a nivel de precisión, al ser comparada con el método de mortero de malla burda. Tomando en cuenta que la conexión entre subdominios se lleva a cabo mediante la incorporación de multiplicadores de Lagrange sobre la interfaz, para llevar a cabo simulaciones mixtas desplazamiento-presión, se ha incorporado el multiplicador de Lagrange de las presiones y sus respectivas ecuaciones de trabajo y restricciones sobre la interfaz. Mediante un test de validación, estudios de convergencia y medidas del error, se ha demostrado que la incorporación de este parámetro es fundamental a nivel de precisión, para llevar a cabo una correcta transferencia de la variable presión a través de la interfaz. De la misma manera, para poder abordar simulaciones numéricas de problemas termomecánicos acoplados, se ha incorporado el multiplicador de Lagrange de la temperatura y sus respectivas ecuaciones de trabajo y restricciones sobre la interfaz, demostrándose, mediante un test de validación, que incluso en problemas de conformado de metales en donde el material sufre altos niveles de deformación plástica, la técnica propuesta de partición de dominios consigue obtener resultados comparables en robustez y precisión con simulaciones numéricas monolíticas. Con el fin de utilizar el método propuesto en el contexto del cálculo en paralelo, se ha implementado la técnica, tal que, cada subdominio pueda ser procesado independientemente.Es por esta razón que se ha utilizado el método de las subestructuras para el cálculo de las variables

In this thesis, applications of a numerical continuation method to two- and three-dimensional bifurcation problems are presented. The 2D problems are motivated by solar applications. In particular, it is shown that the bifurcation properties of a previously studied model for magnetic arcades depend strongly on the pressure function used in the model. The bifurcation properties of a straight flux model for coronal loops are investigated and compared with the results of linear ideal MHD stability analysis. It is shown that for line-tied boundary conditions, the method for the calculation of the equilibrium sequence determines whether the first or the second bifurcation point coincides with the linear stability threshold. Also, in this thesis, the 3D version of the continuation code is applied for the first time. The problems treated with the 3D code are therefore chosen with the intention to demonstrate the general capabilities of the code and to see where its limitations are. Whereas the code performs as expected for relatively simple albeit nonlinear bifurcation problems, a clear need for further development is shown by more involved problems.