NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF TRANSIENT LAMINAR NATURAL CONVECTION OF HIGH PRANDTL NUMBER FLUIDS IN A CUBICAL CAVITYObai Younis Taha ElaminLa convección natural en espacios cerrados, se encuentra ampliamente en sistemas naturales e industriales. El objetivo general de este trabajo es desarrollar y validar una herramienta de simulación capaz de predecir las tasas de enfriamiento de aceite en un tanque. Esta herramienta ha de tener en cuenta la variación de la viscosidad del aceite para dar información detallada de las tasas de enfriamiento del aceite bajo diferentes condiciones de contorno térmicas realisticas. En primer lugar, la influencia de diferentes condiciones de contorno térmicas en las paredes, la variación de la viscosidad y la conductividad de la pared en la convección natural del flujo laminar transitorio en una cavidad cúbica con seis paredes térmicamente activo están analizadas.Para analizar el efecto individual de las paredes laterales de la cavidad en el proceso de enfriamiento, la segunda parte de este estudio considera que, tanto numéricamente como experimentalmente, la transición de la convección natural laminar en una cavidad cúbica con dos paredes opuestas frías y verticales.Nuevas relaciones de escala que tengan en cuenta la variación de la viscosidad con la temperatura, no publicadas anteriormente en la literatura, se derivan de las velocidades de la capa límite, por el tiempo necesario para la capa límite para alcanzar el estado estacionario y para la velocidad y el espesor de las intrusiones horizontales.NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF TRANSIENT LAMINAR NATURAL CONVECTION OF HIGH PRANDTL NUMBER FLUIDS IN A CUBICAL CAVITYObai Younis Taha ElaminFree convection in enclosed spaces is found widely in natural and industrial systems. The general objective of this work is to develop and validate a simulation tool able to predict the cooling rates of oil in a tank. This tool has to take into account the variation of the oil viscosity to give detailed information of the cooling rates of the oil under different realistic thermal boundary conditions. First, the influence of different thermal wall boundary conditions, the variation of the viscosity and the wall conductivity on the transient laminar natural convection flow in a cubical cavity with the six walls thermally active is studied numerically. To analyze the individual effect of the side walls of the cavity on the cooling process, the second part of this study considers, numerically and experimentally, the transient laminar natural convection in a cubical cavity with two cold opposite vertical walls. The shadowgraph technique is employed to visualize the development of the transient convective flow. New scaling relations that take into account the viscosity variation with temperature, not reported previously in the literature, are derived for the boundary layer velocities, for the time needed for the boundary layer to reach the steady state and for the velocity and thickness of the horizontal intrusions.

La tesis ha centrado su estudio en los mecanismos de leva con palpador circular de traslación por ser éstos ampliamente utilizados en la industria actual. Para el diseño de la ley de desplazamiento se utiliza curvas de Bézier de continuidad 2 C , 3 C y 4 C con tramos rectos y se busca como objetivos de la tesis: aportar conocimiento y fundamento teórico al cálculo del ángulo de presión, radio de curvatura y distribución de la presión entre palpadores de rodillo y levas de modo que se facilite el estudio y la aplicación de dichos mecanismos.En la investigación se han abordado las tres etapas de diseño de un mecanismo leva palpador: definición de la ley de desplazamiento del palpador, obtención del perfil de leva y comprobación del perfil de la leva. Dentro de la etapa de la definición de la ley de desplazamiento se presentan las características que tienen las leyes de desplazamiento de Bézier. En lo referente a la obtención del perfil de la leva en la tesis se propone el diseño de la ley de desplazamiento por tramos de unión en lugar del diseño por trayectos completos de movimiento de la leva (giro total de la leva) y en lo referente a la comprobación del perfil se estudia el ángulo de presión, el radio de curvatura y la distribución de presiones relacionadas con el contacto entre la leva y el palpador.La tesis se divide en siete capítulos. En el primero de ellos se presenta una introducción, en el segundo se expone el estado del arte actual en el diseño de los mecanismo leva palpador, en el tercer capítulo se exponen las características de las leyes de desplazamiento del palpador diseñadas por tramos de unión, en el cuarto capítulo se estudia el ángulo de presión y el radio de curvatura y se muestran las tablas y gráficas para el cálculo de los mismo, en el quinto capítulo se expone la distribución de las presiones y los esfuerzos generados por el contacto entre la leva y el palpador. Es en éstos dos últimos capítulo donde se recogen las aportaciones principales de la investigación. El sexto capítulo presenta las conclusiones y recomendaciones del trabajo y el séptimo la bibliografía y referencias consultadas. / Circular follower-cam mechanisms have a vast range of machinery applications. Bézier curves, in comparison with conventional methods, seems to be a potential route to optimize the design of displacement law in cam mechanisms The aim of this thesis is to provide further knowledge about calculation of pressure angle, curvature radius and pressure distribution for cam mechanisms designed by Bézier curves in order to facilitate the study, thus new applications, of these systems. The investigation has included the three main stages in cam mechanism design: (1) definition of follower's displacement law, (2) development of cam profile, and (3) assessment of the cam profile. Bézier curves are used in the first stage of the process. In addition, a novel method to obtain the cam profile is proposed and supported. With respect to cam profile design, cam displacement law is obtained by segments instead of through cycle motion; with respect to cam profile verification, pressure angle, curvature ratio and pressure distribution due to contact between cam and follower are the design issue.This monography has been organized as follows. First chapter regards with an introduction to the research topic. A detailed literature review about cam-follower mechanism design is summarized in the second chapter. Next chapter enclose explanations of the displacement law's features, followed by a study of pressure angle and curvature radius which include tables and graphics that allow calculated, in the fifth chapter methodology to calculate pressure distribution and stress due to contact forces between cam and follower are present. In these last two chapters, the main contributions of the Ph.D. thesis are described. Conclusions and suggestions for further investigations are summarized in chapter sixth. Finally, literature reviewed is referenced in the seventh section.

La tesi "Contribució a l'estudi de l'acústica dels tubs axisimètrics" és un treball centrat en l'estudi del comportament acústic dels tubs dels instruments musicals de vent amb simetria de revolució en el qual es fa especial èmfasi en el comportament del pavelló (tub axisimètric de conicitat variable).L'estudi contempla tres aspectes: l'analític, el numèric i l' experimental, necessari per poder comparar els models proposats però que no ha estat realizat per l'autora de la tesi. Quant a l'estudi analític, s'analitza en profunditat el model uniparamètric proposat per Webster al qual se li han trobat els límits d'aplicabilitat, per al cas dels pavellons de tenores (instrument típic català), i es realitza una extensió d'aquest model en passar-lo al domini temporal.Seguint dins de l'estudi analític, s'estableix un model temporal bidimensional aproximat que inclou la propagació a l'interior de les lentilles presents a les discontinuïtats de conicitat i que simula, en primera aproximació, l'efecte dispersiu que es produeix en la propagació a l'interior dels pavellons.Quant al tractament numèric, es realitza un estudi d'un altre model uniparamètric existent, l'equació "Conical Horn", que s'aplica a un pavelló amb perfil exponencial. La comparació dels resultats experimentals amb els del model permet establir-ne la bondat. Seguint dins del tractament numèric, s'estableix un primer model bidimensional basat en la propagació de raigs impulsionals que permet l'obtenció del camp acústic a l'interior dels tubs axisimètrics.Per altra banda, s'estableix un algoritme de càlcul per a la integral de convolució que permet simular de manera completa el comportament d'un instrument musical en el domini temporal. / La tesis "Contribució a l'estudi de l'acústica dels tubs axisimètrics" es un trabajo centrado en el estudio del comportamiento acústico de los tubos de los instrumentos musicales de viento con simetría de revolución en el que se hace especial énfasis al comportamiento del pabellón (tubo axisimétrico de conicidad variable).El estudio contempla tres aspectos: el analítico, el numérico y el experimental, necesario para poder comparar los modelos propuestos pero que no se ha realizado por la autora de la tesis.En cuanto al estudio analítico, se analiza en profundidad el modelo uniparamétrico propuesto por Webster al que se le han encontrado sus límites de aplicabilidad, para el caso de los pabellones de "tenoras" (instrumento típico catalán), y se realiza una extensión de este modelo al pasarlo al dominio temporal.Siguiendo dentro del estudio analítico, se establece un modelo temporal bidimensional aproximado que incluye la propagación en el interior de las lentillas presentes en las discontinuidades de conicidad y que simula en primera aproximación el efecto dispersivo que se produce en la propagación en el interior de los pabellones.En cuanto al tratamiento numérico, se realiza un estudio de otro modelo uniparamétrico existente, la ecuación "Conical Horn", que se aplica a un pabellón con perfil exponencial. La comparación de los resultados experimentales con los del modelo permiten establecer la bondad de éste.Siguiendo dentro del tratamiento numérico, se establece un primer modelo bidimensional basado en la propagación de rayos impulsionales que permite la obtención del campo acústico en el interior de los tubos axisimétricos.Por otro lado, se establece un algoritmo de cálculo para la integral de convolución que permite simular de manera completa el comportamiento de un instrumento musical en el dominio temporal. / The doctoral thesis named "Contribució a l'estudi de l'acústica dels tubs axisimètrics" is a research project focused in the study of the acoustical behaviour of the musical wind instruments bores with revolute simmetry in which a special emphasis is done in the behaviour of the horn (axisymmetrical tube with varying taper).The study looks at three aspects: the analytical, the numerical an d the experimental one, necessary to compare the proposed models but which has not been done by the author of the thesis.With regard to the analytical study, the uniparametrical model proposed by Webster is deeply analyzed; its applicability limits has been found for the horns of "tenores" (Catalan tenor shawn, double-reed conical woodwind) and an extension of the model is done passing it to the time domain.Going on with the analytical study, an approximated bidimensional temporal model is stablished in which the propagation inside the little lents present in taper discontinuities is taken into account. This model permits to simulate, in a first approximation, the dispersive effect that takes place in the propagation inside the horns.As for the numerical treatment, a study about another uniparametrical actual model is done. It's the Conical horn equation which is applied to a horn with exponential profile.The comparison between the experimental results and those obtained with the model allows to stablish its validity.Keeping on the numerical treatment, a first bidimensional model is stablished based on the propagation of impulsional rays. It allows to obtain the acoustical field inside the axisymmetrical tubes.In other side, an algorithm to calculate the convolution integral is stablished. It permits to simulate completely the behaviour of a musical instrument in the time domain.

La tesi "Estudi del mecanisme d'autoexcitació de bisell en el domini temporal" és un treball de recerca centrat en l'estudi dels instruments musicals que utilitzen el mecanisme de bisell per generar el so. L'objectiu de la tesi és establir un model complet d'aquest tipus d'instruments que sigui prou realista per poder relacionar els paràmetres del model amb la realitat física, però alhora prou simple com per poder ser utilitzat per a la síntesi sonora per modelatge físic.Es parteix de l'esquema bàsic dels instruments autoexcitats: un element de comportament no lineal (el mecanisme de bisell), a través del qual hi ha l'entrada d'energia, i un element de comportament lineal energèticament passiu (la columna d'aire de l'instrument). La interacció entre aquests dos elements actua com a regulador de l'entrada d'energia.Per a la modelització del mecanisme de bisell, es parteix dels resultats de Bickley pel que fa a la descripció del perfil de velocitats del doll i es proposa un model de càlcul de la deflexió que sofreix el doll en el seu recorregut per la finestra basat en una analogia mecànica. La deflexió que presenta el doll en arribar al bisell s'utilitza per calcular les fonts de volum i de quantitat de moviment que s'introdueixen en la columna d'aire. Tal com indiquen estudis previs, es conclou que la font de volum és predominant comparada amb la font de quantitat de moviment.Per a la modelització de la columna d'aire de l'instrument, es presenten dos mètodes que permeten obtenir la funció de reflexió temporal. El mètode de la multiconvolució descriu, sense apartar-se del domini temporal, la participació de totes les discontinuïtats en la funció de reflexió de la columna mitjançant un conjunt d'equacions de convolució que admeten una resolució iterativa. El mètode de les matrius de transferència descriu, en el domini freqüencial, els diferents trams de tub com a matrius de transferència que relacionen la pressió i el cabal en els dos extrems del tram. El producte d'aquestes matrius per als diferents trams del tub, la utilització de la funció de reflexió d'extrem obert i la posterior transformació de Fourier per tal d'obtenir el resultat en el domini temporal proporcionen un altre mètode d'obtenir la funció de reflexió temporal.La utilització de les equacions clàssiques de l'acústica lineal pressuposa la no existència de component continu. En el cas dels instruments de bisell amb extrem obert, la formulació usual de les funcions de reflexió dóna lloc a un creixement secular del component continu que no s'adiu amb la realitat física. Per tal d'oferir una solució més realista que el simple filtratge del component continu del senyal d'entrada, es proposa redefinir la funció de reflexió temporal tot afegint-hi una funció que permeti l'existència de component continu en el senyal d'entrada al tub i la seva radiació a través dels extrems oberts de l'instrument.El model complet és finalment aplicat al cas d'un tub d'orgue i al d'una flauta de bec contralt. En ambdós casos es pot observar que el model descriu els fenòmens bàsics d'aquests tipus d'instruments, com el fet que s'estableixi un règim vibratori governat pels diferents modes propis de la columna d'aire en variar la pressió de bufada. En la modelització de la flauta de bec també s'analitzen els règims vibratoris establerts per a diferents digitacions. / The thesis "Study of the self-excitation mechanism of the flue instruments in the time domain" is a work of investigation centered in the study of the musical instruments that use the jet-edge mechanism to generate the sound. The objective of the thesis is to establish a complete model of this type of instruments that is sufficiently realistic to be able to relate the parameters of the model to the physical reality but sufficiently simple to be able to be used for the physical modeling sound synthesis.The basic scheme of the self-excitation instruments is used: an element of nonlinear behavior (the jet-edge mechanism), through which the energy entrance takes place, and an element of energetically passive linear behavior (the air column of the instrument). The interaction between these two elements acts as a regulator of the energy entrance.The results of Bickley are used for modeling the velocity profile of the jet. The deflection that undergoes the jet as it goes across the window is calculated using a mechanical analogy. The deflection of the jet when it reaches the labium is used to calculate the sources of volume and momentum that are introduced into the air column. As previous studies indicate, the volume source predominates over the momentum source.For the modeling of the air column of the instrument, two methods are presented to obtain the time reflection function. The multiconvolution method describes, just in the time domain, the participation of all the discontinuities in the reflection function of the column by means of a set of convolution equations that admit an iterative resolution. The transfer matrices method describes, in the frequency domain, the different sections from tube like transfer matrices that relate the pressure and the flow in both sides of the section. The product of these matrices for the different sections from the tube, the use of the reflection function of the open end and the Fourier transform to obtain the result in the time domain, provides another method to obtain the time reflection function.The use of the classical equations of linear acoustics assumes the lack of continuous component. In the case of flue instruments with open end, the usual formulation of the reflection functions leads to a secular growth of the continuous component that does not correspond to the physical reality. In order to offer a more realistic solution than the simple filtering of the continuous component of the entrance signal, a redefinition of the time reflection function is proposed consisting in the addition of a function that allows the existence of continuous component in the signal at the entrance of the tube and its radiation through the open end of the instrument.The complete model is finally applied to the cases of an organ pipe and an alto recorder flute. In both cases the model describes the basic phenomena of these instruments as the control of its vibrational regime by different eigenmodes of the air column when the blowing pressure is varied. In the modeling of the recorder, the vibrational regimes established for different fingerings are also analyzed. / La tesis "Estudio del mecanismo de autoexcitación de bisel en el dominio temporal" es un trabajo de investigación centrado en el estudio de los instrumentos musicales que utilizan el mecanismo de bisel para generar el sonido. El objetivo de la tesis es establecer un modelo completo de dicho tipo de instrumentos que sea suficientemente realista para poder relacionar los parámetros del modelo con la realidad física, pero a la vez suficientemente simple como para poder ser utilizado para la síntesis sonora por modelado físico.Se parte del esquema básico de los instrumentos autoexcitados: un elemento de comportamiento no lineal (el mecanismo de bisel), a través del cual se produce la entrada de energía, y un elemento de comportamiento lineal energéticamente pasivo (la columna de aire del instrumento). La interacción entre estos dos elementos actúa como regulador de la entrada de energía.Para la modelización del mecanismo de bisel, se parte de los resultados de Bickley en cuanto a la descripción del perfil de velocidades del chorro y se propone un modelo de cálculo de la deflexión que sufre el chorro en su recorrido por la ventana basado en una analogía mecánica. La deflexión que presenta el chorro al llegar al bisel se utiliza para calcular las fuentes de volumen y de cantidad de movimiento que se introducen dentro de la columna de aire. Tal como indican estudios previos, se concluye que la fuente de volumen es predominante frente a la fuente de cantidad de movimiento.Para la modelización de la columna de aire del instrumento, se presentan dos métodos que permiten obtener la función de reflexión temporal. El método de la multiconvolución describe, sin apartarse del dominio temporal, la participación de todas las discontinuidades en la función de reflexión de la columna mediante un conjunto de ecuaciones de convolución que admiten una resolución iterativa. El método de las matrices de transferencia describe, en el dominio frecuencial, los diferentes tramos de tubo como matrices de transferencia que relacionan la presión y el caudal en los dos extremos del tramo. El producto de estas matrices para los diferentes tramos del tubo, la utilización de la función de reflexión de extremo abierto y la posterior transformación de Fourier para obtener el resultado en el dominio temporal proporcionan otro método de obtener la función de reflexión temporal.La utilización de las ecuaciones clásicas de la acústica lineal presupone que no existe componente continua. En el caso de los instrumentos de bisel con extremo abierto, la formulación usual de las funciones de reflexión da lugar a un crecimiento secular de la componente continua que no se corresponde con la realidad física. Para ofrecer una solución más realista que el simple filtraje de la componente continua de la señal de entrada, se propone redefinir la función de reflexión temporal añadiendo una función que permita la existencia de componente continua en la señal de entrada al tubo y su radiación a través de los extremos abiertos del instrumento.El modelo completo es finalmente aplicado al caso de un tubo de órgano y al de una flauta de pico contralto. En ambos casos se puede observar que el modelo describe los fenómenos básicos de estos tipos de instrumentos, como el hecho de que se establezca un régimen vibratorio gobernado por los diferentes modos propios de la columna de aire al variar la presión de soplado. En la modelización de la flauta de pico también se analizan los regímenes vibratorios establecidos para diferentes digitaciones.

En multitud de aplicaciones, es de interés obtener relaciones de transmisión variables a lo largo de un ciclo de rotación del eslabón conductor. Éstas pueden obtenerse mediante distintos mecanismos, entre ellos los engranajes no circulares dando al diseño la ventaja de tener una transmisión precisa, ser de tamaño compacto y poder ser balanceados fácilmente. Éstos permiten obtener cualquier ley de desplazamiento o relación de transmisión entre la velocidad angular del eje conducido y del eje conductor siempre que cumpla con las condiciones requeridas de continuidad y de curvatura exigidas a las curvas primitivas de las ruedas.El objetivo principal de la presente tesis es dar un tratamiento analítico al diseño de un engranaje no circular que satisface una ley de desplazamiento y realizar el análisis cinemático y cinetostático. En el diseño de la ley de desplazamiento se utilizan funciones armónicas, curvas de Bézier no paramétricas y curvas B-spline no paramétricas. Debido a la gran cantidad de publicaciones respecto a los engranajes elípticos, se deducen la ley de desplazamiento de éstos tomando como parámetros de diseño la semidistancia focal y la distancia entre los centros de rotación de las ruedas elípticas. La mayor parte de investigaciones realizadas sobre engranajes no circulares se centra en el diseño y en la aplicación de los engranajes elípticos. A pesar de ser muy utilizados, estos tipos de engranajes no garantizan el cumplimiento de cualquier ley de desplazamiento deseada entre sus eslabones. Es por ello que en la presente tesis doctoral se estudia el diseño de los engranajes no circulares que cumplan con una ley de desplazamiento deseada.La obtención de la curva primitiva y del perfil del diente se formulan mediante un método analítico que utiliza el ángulo de giro de la rueda conductora como única variable independiente de entrada. De esta forma, se puede implementar un algoritmo en un programa como Matemática© que integra el tratamiento simbólico y el cálculo numérico. Adicionalmente, se puede definir la rueda dentada mediante una serie de puntos para su posterior mecanizado en una máquina CNC. La generación del perfil del diente se basa en la simulación del proceso de corte del diente de las ruedas dentadas de un engranaje no circular cilíndrico recto utilizando como herramienta de corte una cremallera estándar. En una rueda dentada circular, la circunferencia base es concéntrica con la circunferencia primitiva y tangente a la línea de acción. En un engranaje no circular, la curva base de las ruedas dentadas no se conoce a priori y no es tan fácil de determinar. En esta tesis se estudian las curvas base de las ruedas dentadas de un engranaje no circular obtenidas como el lugar geométrico de los puntos singulares sobre el perfil de involuta del diente. Los puntos singulares, puntos en los que se inicia la formación de un segundo ramal en el perfil, se obtienen de la observación de la velocidad relativa entre la cremallera y la rueda; concretamente, cuando la velocidad relativa de la cremallera es cero. En el análisis cinetostático, se comparan las reacciones en los apoyos fijos y el par motor requerido en el eslabón conductor de un engranaje no circular y un mecanismo articulado con idéntica ley de desplazamiento y suponiendo que el eslabón conductor gira a velocidad angular constante y en el eslabón conducido existe un par resistivo constante. En la fase experimental se realiza la comprobación del par motor requerido por ambos mecanismos; para esto, se utilizan dos motores de corriente continua que se instalan uno en el eje del eslabón conductor y el otro en el eje del eslabón conducido. El motor que se instala en el eje del eslabón conductor se alimenta con tensión constante, de esta forma el eslabón conductor gira con velocidad angular nominalmente constante; el motor del eje conducido se alimenta con intensidad constante, de esta forma se aplica un par nominalmente constante en el eje del eslabón conducido. / There are many applications where non-uniform rotation transmission mechanisms are required. Noncircular gears wheels can be used to produce this kind of non-constant transmission, giving design additional advantages such as accurate transmission, easy balancing and compact size. Noncircular gears allow to obtain any displacement law or transmission ratio between the angular velocity of the driven shaft and the angular velocity of driving shaft whenever this law accomplishes with the continuity and curvature condition required by the pitch curves of gear wheels. The main objective of this thesis is to provides an analytical approach to the design of noncircular gear that accomplishes a given displacement law and to carry out a kinematics and a kinetics analysis.Harmonic functions, non parametric Bézier curves and non parametric Bspline curves are used, in this thesis, to the design of displacement laws. Due to there are many papers about elliptical gear, the displacement law of elliptical gear, taking the focal semi distance and the center distance between rotation shafts as design parameters, is also obtained. Most publications concerning noncircular gears concentrate on the design and application of elliptical gears. However, the elliptical gear limits the design process in order to satisfy a given relationship between its linkages. Due to last reason, the approach of this thesis is the design of noncircular gear that satisfies a given displacement law.The generation of the pitch curves and the tooth profile are formulated using an analytical method that uses the rotate angle of driving gear wheel as unique input independent variable. So, an algorithm in a software as Matemática©, that integrates symbolic treatment and numerical calculus, can be implemented. Additionally, the gear wheels can be defined as a set of points ready to be manufactured by a CNC machine. Tooth profile generation is based on the simulation of cuttering process of the tooth of noncircular gear wheel using a rack cutter as tool.The base circle of a circular gear is concentric with the pitch circle and tangent to the action line. However, in a noncircular gear the base curve is not known a priori and is not easy to determine. In this thesis, the base curves of noncircular gear wheels are obtained as the geometrical locus of the singular points on the involute tooth profile. Singular points, points from which a second involute branch begins to form on the tooth profile, are obtained, by the study of the relative velocity of contact point, between gear wheel and rack cutter, concretely when the relative velocity is zero. The reaction forces in the fixed pivots and the required input torque in the driving shaft of a linkages mechanism and a noncircular gear that accomplishes the same displacement law are compared. In this analysis, the driving shaft rotates with constant angular velocity and a constant resistive torque is applied on the driven shaft. In the experimental tests, the required input torques of both mechanisms are verified. For this, two c. c. motors are used; one motor is installed in the driving shaft and the other one is installed in the driven shaft. The motor installed in the driving shaft is alimented with constant voltage, thus the driving shaft rotates with angular velocity nominally constant; the motor installed in the driven shaft is alimented with constant current, thus a nominal constant torque is applied on the driven shaft.

El entendimiento de los fenómenos de transferencia de calor y de masa en medios porosos implica el estudio de modelos de transporte de fluidos en la fracción vacía del medio; este hecho es de fundamental importancia en muchos sistemas de Ingeniería Química, tal como en procesos de extracción o en reactores catalíticos. Los estudios de flujo realizados hasta ahora (teóricos y experimentales) usualmente tratan al medio poroso como un medio efectivo y homogéneo, y toman como válidas las propiedades medias del fluido. Este tipo de aproximación no tiene en cuenta la complejidad del flujo a través del espacio vacío del medio poroso, reduciendo la descripción del problema a promedios macroscópicos y propiedades efectivas. Sin embargo, estos detalles de los procesos locales de flujo pueden llegar a ser factores importantes que influencien el comportamiento de un proceso físico determinado que ocurre dentro del sistema, y son cruciales para entender el mecanismo detallado de, por ejemplo, fenómenos como la dispersión de calor, la dispersión de masa o el transporte entre interfaces.La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) como herramienta de modelado numérico permite obtener una visión mas aproximada y realista de los fenómenos de flujo de fluidos y los mecanismos de transferencia de calor y masa en lechos empacados, a través de la resolución de las ecuaciones de Navier - Stokes acopladas con los balances de materia y energía y con un modelo de turbulencia si es necesario. De esta forma, esta herramienta permite obtener los valores medios y/o fluctuantes de variables como la velocidad del fluido, la temperatura o la concentración de una especie en cualquier punto de la geometría del lecho empacado.El objetivo de este proyecto es el de utilizar programas comerciales de simulación CFD para resolver el flujo de fluidos y la transferencia de calor y de masa en modelos bi/tri dimensionales de lechos empacados, desarrollando una estrategia de modelado aplicable al diseño de equipos para procesos de extracción o de reacción catalítica. Como referencia se tomaran procesos de tecnología supercrítica debido a la complejidad de los fenómenos de transporte involucrados en estas condiciones, así como a la disponibilidad de datos experimentales obtenidos previamente en nuestro grupo de investigación. Estos datos experimentales se utilizan como herramienta de validación de los modelos numéricos generados, y de las estrategias de simulación adoptadas y realizadas durante el desarrollo de este proyecto. / An understanding of the heat and mass transfer phenomena in a porous media implies the study of the fluid transport model within the void space; this fact is of fundamental importance to many chemical engineering systems such as packed bed extraction or catalytic reaction equipment. Experimental and theoretical studies of flow through such systems often treat the porous medium as an effectively homogeneous system and concentrate on the bulk properties of the flow. Such an approach neglects completely the complexities of the flow within the void space of the porous medium, reducing the description of the problem to macroscopic average or effective quantities. The details of this local flow process may, however, be the most important factor influencing the behavior of a given physical process occurring within the system, and are crucial to understanding the detailed mechanisms of, for example, heat and mass dispersion and interface transport.Computational Fluid Dynamics as a simulation tool allows obtaining a more approached view of the fluid flow and heat and mass transfer mechanisms in fixed bed equipment, through the resolution of 3D Reynolds averaged transport equations, together with a turbulence model when needed. In this way, this tool permit to obtain mean and fluctuating flow and temperature values in any point of the bed. The goal of this project is to use commercial available CFD codes for solving fluid flow and heat and mass transfer phenomena in two and three dimensional models of packed beds, developing a modeling strategy applicable to the design of packed bed chemical reaction and extraction equipment. Supercritical extraction and supercritical catalytic reaction processes will be taken as reference processes due to the complexity of the transport phenomena involved within this processes, and to the availability of experimental data in this field, obtained in the supercritical fluids research group of this university. The experimental data priory obtained by our research group will be used as validation data for the numerical models and strategies dopted and followed during the developing of the project.

.La tesi analitza les dinàmiques no locals i la intermitència en fluids no homogenis i no isotròpics tant en experiments de laboratori com en dades geogràfiques. Després de l'estudi sobre els models que descriuen la intermitència en fluids homogenis i isotròpics, presentem un model per fluids no homogenis i no isotropics. El model es basa en l'anàlisi de la jerarquia de transmissió d'energia. S'utilitza la tècnica de la Extended Self Similarity amb l'objectiu d'estudiar l'escala de lleis de les funcions estructurals de velocitat. Els resultats experimentals de tres tipus de fluids que s'han comparat amb el model per fluids no homogenis i no isotròpics són els següents: turbulència generada per un cilindre en un canal de vent i turbulència generada per una reixa i per un jet en un canal d'aigua. S'analitza la turbulència geogràfica del Delta de l'Ebre i del Knebel Vig i els resultats són comparats amb els del model anteriorment esmentat. La contribució principal és el descobriment d'un paràmetre aparentment relacionat amb la jerarquia de transmissió d'energia en el rang inercial que juga un paper clau en la comprensió de les dinàmiques dels fluids no homogenis. / .The thesis analyze the non-local dynamics and intermittency in non-homogeneous and non-isotropic flows both in the laboratory experiments and geophysical data. After a review on models describing intermittency in homogeneous and isotropic flows, a different model for non-homogeneous and non-isotropic flows is introduced. A model is based on the analysis of the energy transfer hierarchy. The technique of Extended Self Similarity is used to study the scaling laws of the velocity structure functions. Experimental results of three type of flows cylinder wake turbulence in wind tunnel, grid and jet turbulence in water channel are presented and compared with the model. The geophysical turbulence in the Ebro Delta and Knebel Vig are analyzed and the results are compared with the model. The important contribution is the discovery of a new apparently parameter related to the energy transfer hierarchy in the inertial range which plays a key role in the understanding of the dynamics of the non-homogeneous flows.

Es tracta d'una tesi fonamentalment interdisciplinària que aborda l'anàlisi de la dinàmica fitoplanctònica, en condicions de mar obert i en termes de fixació de carboni, en funció de pressos estrictament físics com són la difusió turbulenta, la sedimentació, etc.En primer terme, el fitoplàncton està constituït per organismes vegetals microscòpics, que com a tals necessiten llum i sals minerals (anomenats generalment "nutrients"). La llum és en qualsevol cas sempre més abundant a nivell de la superfície del mar, mentre que els nutrients són més abundants en profunditat. La majoria d'organismes fitoplanctònics presenten una capacitat natatòria molt reduïda, o simplement nul·la. Per tant, aquests organismes depenen en gran mesura de l'aport de nutrients que per transport turbulent els arriba des de les capes més profundes fins la capa superior il·luminada (o capa eufòtica).Primerament es dugué a terme una anàlisi d'escales en base als temps característics dels processos biològics clau, susceptibles de poder presentar un major grau de sensibilitat envers l'efecte de la trubulència, tals com l'absorció de nutrients i la fixació de carboni (fotosíntesi).Les principals característiques d'aquest nou model són la capacitat de poder resoldre els processos biològics amb una resolució temporal de l'ordre de segons minuts o segons, coincidint, per tant, amb l'escala temporal de la turbulència. I segon, el seguiment simultani del transport vertical de carboni i nitrogen.La turbulència de petita escala s'introdueix en el model numèric a través de les parametritzacions proposades per Osborn, i per Gaspar i col·laboradors, metodologia àmpliament utilitzada en l'actualitat, i contrastada experimentalment. Finalment s'analitza la relació entre la difusió turbulenta de petita escala i la producció primària fitoplanctònica en termes de fluxes verticals de carboni i nitrogen.Són destacables els resultats obtinguts en l'estudi del transport de matèria a través de la capa límit present al voltant dels organismes fitoplanctònics (les anomenades Diffusive Boundary Layers), identificant-se limitacions estrictament físiques al co-transport de carboni, nitrogen i fósfor. / This Ph.D. thesis introduces an interdisciplinary approach to the modeling of phytoplankton carbon fixation and nutrient uptake (nitrogen) according to the influence of small-scale turbulence in the open ocean. The modeling exercise presents a new strictly biological model with five state-variables, and a vertical 1-D coupled physical-biological model of the uppermost 100 meters of the marine water column. The two shared state-variables of the 1-D model are phytoplankton biomass (in terms of carbon), and an external limiting nutrient (in terms of nitrate).The biological model accounts for carbon and nitrogen biomass state-variables, following explicitly the track of both fluxes. As a relevant achievement the model successfully couples the different timescales of the carbon fixation (hours to days) and nitrogen uptake rates (seconds to minutes) by means of two intermediate carbon and nitrogen highly dynamical internal pools.Simulation runs are presented for the biological model alone, and in for the coupled physical-biological 1-D model.The thesis also provides a significative insight into the transport of mass through the diffusive boundary layers around phytoplanktonic organisms, and presents a potential strictly physical limitation to Redfield requirements.

Se ha desarrollado una infraestructura numérica, que permite el estudio de problemas donde están presentes fenómenos periódicos espaciales, haciendo uso de dominios computacionales reducidos con condiciones de contorno periódicas. Se enfoca en particular el estudio de la convección natural del aire, numérica y experimentalmente, en estructuras honeycomb de tipo rectangular, de interés aplicativo en aislamientos transparentes para sistemas solares térmicos. Para abordar el estudio, la tesis se ha estructurado en tres bloques, cuyos contenidos abarcan:1) El estudio del tratamiento numérico de condiciones de contorno periódicas, en base al método de volúmenes finitos, estableciéndose estrategias adecuadas de transferencia de información entre contornos periódicos en una forma explícita. Los tratamientos se sustentan en dos procedimientos: (i) en estrategias que tratan directamente con el valor de las variables del problema sobre nodos de los volúmenes de control (ubicados en los contornos periódicos y en posiciones anexas al contorno) y (ii) en interpolaciones sobre los contornos periódicos utilizadas en el método multibloque: interpolaciones de tipo conservativas e interpolaciones matemáticas. Se proponen tres formulaciones: DIF (Direct Interpolation Formulation), EPF (Exact Position Formulation) y CTF (Conservative Treatment Formulation). En la formulación DIF la transferencia de información se basa en la aplicación de interpolaciones Lagrangianas, en la formulación EPF la información se transfiere nodo a nodo entre posiciones geométricamente semejantes, mientras que en la formulación CTF la transferencia de información se basa en forzar la conservación de los flujos físicos (masa, momento y energía). Las formulaciones son comparadas entre si. Para el análisis comparativo se reproduce un caso de la literatura científica, cuyos campos de velocidad y temperatura presentan un comportamiento periódico espacial. Los criterios de comparación se basan en la verificación de las soluciones numéricas obtenidas para cada formulación. Se resuelven otros casos con la finalidad de presentar nuevos detalles acerca del tratamiento de condiciones de contorno periódicas, en base a las metodologías propuestas.2) Se aborda el estudio numérico del comportamiento periódico del aire en cavidades alargadas e inclinadas 45º, en cuyo interior se ubica una estructura honeycomb de tipo rectangular. Se reproducen casos de la literatura científica, numéricos y experimentales, con la finalidad de verificar y validar el código numérico para geometrías específicas. Aprovechando la naturaleza periódica del flujo, se proponen expresiones matemáticas para representar el comportamiento periódico de las variables velocidad, temperatura y presión dinámica. Dichas expresiones fueron utilizadas como modelos para definir las condiciones de contorno periódicas aplicables a una celda de honeycomb. Se establecen estudios comparativos entre los resultados numéricos conseguidos sobre dominios computacionales completos y los obtenidos aplicando condiciones de contorno periódicas sobre dominios computacionales reducidos a una celda de honeycomb. Mediante un estudio específico, se demuestra la utilidad de las simulaciones numéricas para solucionar geometrías de interés tecnológico, próximas al aislamiento transparente para sistemas solares térmicos, aplicando condiciones de contorno periódicas en dominios computacionales reducidos.3) El estudio numérico de la convección natural del aire en una cavidad rectangular, con estructuras honeycomb en su interior. Se lleva a cabo la validación de los resultados numéricos, contrastando sus valores con resultados experimentales obtenidos en base a técnicas PIV (Particle Image Velocimetry), las cuales permitieron visualizar y cuantificar el campo de velocidades.Las simulaciones numéricas de todo el trabajo se basaron en el método de volúmenes finitos. Las ecuaciones gobernantes discretizadas fueron resueltas en forma segregada, utilizándose el algoritmo SIMPLEC. Las geometrías fueron discretizadas en base a mallas Cartesianas desplazadas. Los resultados numéricos fueron verificados a través de herramientas de post - proceso basadas en la extrapolación de Richardson generalizada y en el concepto del GCI (Grid Convergence Index).

Una proporción muy importante del presupuesto energético total de los países europeos es destinado al consumo energético del sector de la edificación, tanto en el ámbito doméstico como terciario. Debido a que esta tendencia continúa en aumento, es de vital importancia optimizar los edificios tanto desde el punto de vista de las envolventes térmicas, como de las instalaciones térmicas y las condiciones de operación y funcionamiento.Esta tesis incide fundamentalmente en el diseño eficiente de la fachada, ya que éste es uno de los principales elementos que determinan el comportamiento térmico de los edificios. No sólo actúa como barrera entre las condiciones externas e internas, sino que el diseño eficiente de la misma, contribuye en forma relevante a la reducción del consumo de calefacción, aire acondicionado, ventilación e iluminación. Asimismo, es un elemento que incide notablemente en las condiciones de salubridad y confort. Actualmente, existe un gran auge del uso de fachadas completamente hechas de vidrio, este tipo de construcción presenta una serie de ventajas arquitectónicas y estéticas, pero desde el punto de vista térmico pueden representar problemas de sobrecalentamientos y pérdidas de energía importantes, tanto en las áreas mediterráneas como en otras zonas climáticas. En este sentido, las fachadas de doble piel, compuestas por dos capas separadas por un canal de aire, usado para evacuar o aprovechar la energía solar absorbida por la fachada, pueden representar una opción de diseño válida para solventar esta problemática. Asimismo, este tipo de diseño puede producir unas condiciones de confortabilidad adecuadas debido a la reducción de las temperaturas de las superficies interiores de las fachadas.El objetivo de esta tesis es el de contribuir al estudio de sistemas pasivos en general, y fachadas avanzadas en particular. Para ello, se ha desarrollado una herramienta numérica para la simulación de fachadas de edificios de simple y doble piel. La principal característica de este código es la de asumir un comportamiento unidimensional y transitorio. Las ecuaciones gobernantes (continuidad, momentum y conservación de la energía) son resueltas mediante la aplicación del método de volúmenes finitos. Las fachadas incluyen elementos arquitectónicos novedosos, como materiales de cambio de fase, aislamiento transparente, superficies selectivas y colectores solares con acumuladores integrados en la superficie de las fachadas. En la tesis, se describen las características de los modelos físicos y matemáticos implementados y se definen parámetros instantáneos e integrados que describen el comportamiento térmico de las fachadas. Los modelos numéricos implementados han sido sujetos a procesos de verificación y validación en diferentes formas: i) por comparación de los resultados numéricos con los obtenidos para situaciones simplificadas que cuentan con solución analítica, ii) por comparación con parámetros globales tabulados en la literatura de ciertas configuraciones de fachadas, y iii) por comparación de los resultados numéricos con los obtenidos experimentalmente en celdas de ensayo sometidas a diferentes condiciones climáticas.Se presentan resultados de estudios paramétricos de diferentes configuraciones de fachadas y aplicaciones del código numérico para la optimización del diseño de fachadas de edificios emblemáticos del entorno. Como acciones futuras, se prevé la conexión de este tipo de simulaciones con otras de más alto nivel, bidimensionales, para optimizar zonas concretas de las fachadas. / A significant proportion of the total national energy budget of european countries goes toward energy consumption in buildings, therefore the efforts addressed to optimize building's thermal behaviour are of vital importance. In this sense, facades play a fundamental role. Not only do they act as barriers between external and internal conditions, but they can also help to reduce the consumption of energy for heating, ventilation and air conditioning. Moreover, they can help to produce healthy and comfortable indoor conditions. The use of large, transparent areas in facades is a common current practice. Despite the architectural interest of these glazed areas, in Mediterranean climatic conditions they are responsible for building overheating. In these zones, double-skin envelopes made up of two layers of glass separated by an air channel -to collect or evacuate the solar energy absorbed by the facade- are considered to be a design option that could resolve this issue. In other climatic conditions, large heat losses may constitute the most determinant factor. Anyway, the comfort parameters are influenced by the large transparent areas, also in this design aspect, double skin facades may contribute to obtain more comfortable and pleasant living spaces.The objectives of this thesis are to give a step forward in the study and numerical analysis of passive systems in general, and advanced facades in particular. A one-dimensional and transient numerical code for the simulation of double and single skin facades including advanced technological elements, like phase change materials, transparent insulation and facade integrated collectors-accumulators has been developed. The features of the physic and mathematical models implemented are described and instantaneous or integratedperformance parameters describing thermal behaviour of the facades are defined. The numerical models implemented within the numerical tool have been subjected to a verification and validation process in different forms: by comparing the numerical results with those obtained for simplified situations with analytical solutions, with tabulated global performance coefficients of simple façade configurations and with the results of other building simulation codes. Experimental research has been carried out in test cells situated at different geographical locations, thus they were subjected to different climatic conditions. The main objective of the developed numerical code is to simulate advanced facades in order to assess the long term performance, and to account with a virtual tool to test passive designs, including challenging innovations.The applications of the numerical tool described in this thesis, for the optimisation of facades of real buildings are presented. As future actions, the link of the one-dimensional simulations produced by this numerical tool with a multi-dimensional simulation of specific zones of the facades is foreseen.