El tratamiento intrínseco de cuestiones relacionadas con la Teoría de Control no lineal a través de la aplicación de técnicas propias de la geometría diferencial ha sido en los últimos años un tema de interés para muy diversos grupos de investigación. Cuestiones como controlabilidad de sistemas, seguimiento y estabilización de trayectorias, planificación de movimientos, etc, han dado lugar a un gran número de trabajos obtenidos desde puntos de vista muy variados. La línea en la que se desarrolla esta tesis es el estudio de la formulación y las propiedades geométricas de sistemas mecánicos y sistemas no holónomos y las consecuencias que para su control se derivan. Se estudia, en primer lugar, la estabilidad de los sistemas mecánicos disipativos y parcialmente disipativos desde un punto de vista geométrico. Ya que el ambiente geométrico apropiado para llevar a cabo este estudio son las variedades de Riemann, lo primero que se aborda es la generalización de los teoremas de estabilidad y estabilidad asintótica de La Salle de puntos de equilibrio de sistemas dinámicos al caso de variedades de Riemann completas. Posteriormente esta generalización se amplia al caso de subvariedades de puntos de equilibrio. Con las herramientas antes desarrolladas, se trata la estabilidad de los sistemas mecánicos simples no holónomos, es decir, aquellos en los que el espacio de configuración es una variedad de Riemann (Q,g), la Lagrangiana es de tipo mecánico y la subvariedad de ligaduras viene definida por una distribución D < TQ no integrable. Se generalizan también las propiedades de estabilidad al caso de sistemas lagrangianos cualesquiera.Por medio de la aplicación de los resultados obtenidos para la estabilidad, se trata la estabilización por pasividad de los sistemas mecánicos con control. Este tipo de técnicas se diseñan para estabilizar puntos de equilibrio. También se trabaja el caso de sistemas parcialmente disipativos y se usan extensiones dinámicas para estabilizar el sistema en una configuración deseada. Para ello ha sido necesario interpretar geométricamente la noción de extensión dinámica. Se estudia la generalización de estos resultados a los sistemas mecánicos simples no holónomos con control, centrándose en el diseño de controles que permitan estabilizar un sistema en su variedad de puntos de equilibrio utilizando el control por pasividad o en una variedad prefijada mediante extensiones dinámicas. Por otro lado, se analiza la equivalencia entre las ecuaciones de segundo orden que rigen la dinámica de los sistemas mecánicos y las ecuaciones del sistema cinemático asociado, primero en el caso de sistemas no holónomos con control y después en el de sistemas mecánicos con simetrías. En el primer caso si el sistema está completamente actuado se prueba que las curvas solución del sistema mecánico y las del sistema cinemático son las mismas. Si por el contrario es infractuado, hay que imponer una condición sobre las fuerzas exteriores para asegurar la equivalencia débil. En el segundo caso se reduce la dinámica del sistema a la de un sistema no holónomo y se aplican los teoremas de equivalencia del caso anterior.Finalmente, se estudia si mediante la reducción de la formulación de contacto para sistemas lagrangianos dependientes del tiempo que poseen una simetría infinitesimal, se obtiene otro sistema lagrangiano sobre una variedad adecuada. También se trabaja esta situación en el caso de sistemas no holónomos lagrangianos dependientes del tiempo con simetría.

El objetivo principal de esta investigación se centra en el estudio del comportamiento hidro-mecánico asociado con los cambios de succión y tensión neta de un suelo colapsable. Se ha definido cuidadosamente un programa de ensayos de laboratorio con una variedad de trayectorias tensionales y de succión que reproduzcan respuestas de interés para el avance del conocimiento de los suelos no saturados. Los resultados de los ensayos se han interpretado de acuerdo a un modelo de endurecimiento elastoplástico desarrollado previamente en el Departamento (Barcelona Basic Model).Para esta investigación se ha escogido una arcilla de baja plasticidad con una estructura preparada artificialmente y compactada estáticamente en condiciones isótropas (tensión controlada). Tras la compactación se ha medido la succión total de las muestras empleando la técnica psicrométrica. Con este procedimiento de fabricación se conoce la historia de tensión y succión de las muestras, y se establecen unas condiciones iniciales precisas. La estructura de las muestras se ha caracterizado mediante porosimetría de intrusión de mercurio, microscopía electrónica y una serie de ensayos mecánicos previos.Se ha desarrollado una nueva célula edométrica con control de la succión y se ha puesto a punto una célula triaxial existente, para la aplicación de tensiones desviadoras y poder realizar ensayos de rotura a compresión triaxial con succión y deformación controladas. Mediante ensayos edométricos e isótropos con control de la succión, se ha estudiado el comportamiento volumétrico (colapso, hinchamiento y retracción) de muestras normalmente consolidadas y sobreconsolidadas. Se ha analizado la influencia del estado inicial, así como los efectos de la tensión neta aplicada y los cambios de succión en el comportamiento volumétrico, la permeabilidad y las características de retención de agua. En estos ensayos se han observado pautas de comportamientos reversibles e irreversibles en relación con los cambios de volumen. Se ha constatado la existencia de deformaciones plásticas importantes y de cambios irreversibles en el contenido de agua, asociados a las trayectorias de hidratación y secado, así como en las trayectorias de carga y descarga.simismo, se ha estudiado el comportamiento hidro-mecánico durante la aplicación de una tensión desviadora a succión constante, analizando la respuesta tenso-deformacional, el acoplamiento hidráulico y determinando los parámetros de resistencia al corte en muestras normalmente consolidadas y sobreconsolidadas. El estudio experimental ha consistido de un programa de ensayos de compresión triaxial a deformación controlada bajo confinamiento y succión constantes. El estado sobreconsolidado se ha inducido previamente a la etapa de corte por un proceso hidráulico (humedecimiento-secado y secado-humedecimiento) y por un proceso mecánico (carga-descarga). La respuesta al corte de las muestras normalmente consolidadas se ha estudiado para el nivel máximo de tensión media neta alcanzado por la muestra y en trayectorias previas de colapso.Durante la etapa de corte las muestras presentaron inicialmente un comportamiento volumétrico contractante y posteriormente exhibieron dilatancia sin que se detectara evidencia de reblandecimiento del suelo. Asimismo, en todas las muestras, se observó inicialmente expulsión de agua hasta alcanzar un valor estable sin que se detectaran signos de entrada de agua durante la etapa final de dilatancia. A partir de los resultados de los ensayos se ha establecido la existencia de una línea de estado crítico en términos de tensión media neta, de tensión desviadora y de relación de vacíos, cuya posición depende del valor de la succión. Los resultados experimentales se han analizado utilizando el modelo de endurecimiento elastoplástico, que se basa en conceptos de estado crítico. Se han determinado los parámetros del suelo asociados con dicho modelo y se han simulado algunas trayectorias tensionales, que han servido para validar su capacidad para reproducir la respuesta de un suelo no saturado. / The main objective of this research work focuses on the study of the hydro-mechanical behaviour associated with changes in suction and net stress in a collapsible soil. A laboratory test program was carefully defined using different stress and suction paths, with the aim of enriching the existing body of knowledge regarding unsaturated soil behaviour. The results from the tests were interpreted by means of an elastoplastic hardening model previously developed in the Geotechnical Department (Barcelona Basic Model).A low plasticity clay, with an artificially prepared structure, statically compacted under isotropic conditions (controlled stress conditions), was chosen for this investigation. After compaction, the total suction of the samples was measured using transistor psychrometers. This preparation method allowed to know the stress and suction history of the samples and their precise initial conditions.The structure of the samples was characterised using mercury intrusion porosimetry, electronic microscopy and a series of previous mechanical tests.A new controlled-suction oedometer cell was developed and the existent triaxial cell was upgraded in order to carry out triaxial compression tests with controlled suction under constant strain rate.These controlled-suction isotropic and oedometer tests allowed the study of the volumetric response (collapse, swelling and shrinkage) of normally consolidated and overconsolidated samples. The influence of the initial state was analysed, as well as the effects of applied net stress and the changes of suction in the volumetric behaviour, the permeability and the water retention properties. These tests showed reversible and irreversible features regarding volume change behaviour. Significant plastic strains and irreversible changes in water content, associated with the wetting-drying paths and loading-unloading paths, were observed.Likewise, the hydro-mechanical response was studied during the application of a deviatoric stress at constant suction, thus analysing the stress-strain response and the hydraulic coupling, and determining the shear strength parameters in normally consolidated and overconsolidated samples.The research consisted in a program of strain-controlled triaxial compression tests under constant confinement and suction. The overconsolidated state was induced before the shearing phase by means of a hydraulic process (wetting-drying and drying-wetting paths) and a mechanical process (loading-unloading path). The response to shearing of normally consolidated samples was studied for the cases in which the sample achieved a maximum level of mean net stress, as well as after wetting paths with dominant collapsible strains.During the shearing phase, the samples initially presented compressive volumetric response, while afterwards they showed dilatancy without evidencing any strain softening. Furthermore, in all samples, there was an initial water outlet that attained a stable value after the compressive phase, although any water inlet was detected during the final dilative phase. Test results showed the existence of a critical state line in terms of net mean stress, deviatoric stress and void ratio, whose position depends on the value of suction.Experimental results were interpreted using the elastoplastic hardening model, which is based on critical state concepts. Soil parameters associated with this model were determined and some stress paths were simulated, which helped to validate the model capacity to reproduce the response of an unsaturated soil.

En este trabajo abordan diversos problemas relacionados con los flujos de fluido en régimen turbulento. El principal problema tratado es el de la dispersión de partículas en tiempos intermedios. Se analizan también las funciones de estructura a pequeña escala.En la primera parte, además de las ecuaciones de fundamentales de la Dinámica de Fluidos y de algunas herramientas estadísticas básicas, se tratan los temas de turbulencia bidimensional, espectro de energía, correlaciones de velocidad, escalas de la turbulencia, intermitencia, métodos numéricos y dipersión de partículas en flujo turbulento.En la segunda parte de la Tesis se analizan dos métodos numéricos de base muy diferente. El primero es una Simulación Numérica Directa (DNS), con la que se resuelve, de forma explícita, todas las escalas de un flujo turbulento a partir de las ecuaciones de la dinámica. Esto limita fuertemente el número de Reynolds de la simulación. El segundo método es conocido como Simulación Cinemática (KS), donde la única ecuación de la dinámica que se considera es la condición de continuidad.En la KS el flujo turbulento es simulado como la superposición de una serie de modos de Fourier. A cada modo le correponde una escala, determinada por un vecor número de onda, y una energía, dada por el coeficiente del modo. Estos coeficientes son calculados a partir del espectro de energía del campo que se pretende simular. Las características más importantes del campo simulado mediante la KS son:"No hay malla de discretización ni extrapolación a pequeñas escalas de espacio y tiempo. El campo es calculado en cualquier instante y cualquier posición. Esto lo hace especialmente atractivo para análisis Lagrangiano."Es posible elegir diferentes parámetros del flujo: espectro de energía, escalas, energía total, número de Reynolds.En la última parte de la Tesis se muestran los resultados de dos análisis diferentes realizados con la KS.En primer lugar se realiza una comparación exhaustiva de un flujo bidimensional generado mediante KS con otro, con idéntico espectro de energía, simulado con una DNS. Sobre ambos se realiza un análisis comparativo tanto Euleriano como Lagrangiano. El análisis Euleriano muestra bastantes diferencias entre ambos flujos. Las funciones de estructura, sin embargo, con muy semejantes a pequeña escala. El análisis Lagrangiano ofrece resultados sorprendentes en cuanto a semejanza entre un flujo y otro. El valor de la escala integral Lagrangiana de tiempo permite ajustar la evolución temporal de la KS. La dispersión absoluta es afectada por las estructuras coherentes debidas a la dinámica presente en el flujo simulado mediante la DNS, y ausentes en la KS. Estas estructuras coherentes dinámicas no parecen afectar a la evolución temporal de la dispersión relativa.En segundo lugar se realizan dos series de experimentos con la KS, analizando diferentes aspectos de la variación de la ley espectral del flujo turbulento. En la primera serie de experimentos se varia la ley espectral manteniendo uniforme la energia total del campo. Se analizan, por un lado, la estructura de la turbulencia para diferente ley espectral de potencia, y se propone una expresión para la función de estructura de orden p en función de la escala y de la ley espectral, para escalas menores que la microescala de Taylor. Por otro lado, se analiza también el efecto sobre la dispersión relativa.En la segunda serie de experimentos se varia la ley espectral manteniendo uniformes las escalas características del campo, de forma que se obtienen fuertes variaciones de energía. Se analiza el efecto sobre la dipersión relativa, observándose que se cumple la ley de Richardson generalizada, independientemente de la energia del campo, para espectros con potencia menor que 2. / In this work we study different problems related to the flow of fluids in turbulent motion. The main problem on which we focus is the particle dispersion for middle times. Structure functions on a small scale are analised as well.In the first part, besides the fundamental dynamic equations and some basic statistical tools, the following points are discussed: bidimensional turbulence, energy spectrum, velocity correlations, scales of turbulence, intermitence, numerical methods and particle dispersion in turbulent flow.In the second part, two numerical methods with very different bases are analised. The first one is a Direct Numerical Simulation (DNS), where all the scales of the flow are explicitly resolved from the dynamic equations. The second model is known as Kinematic Simulation (KS), where the only dynamic equation involved is the continuity condition.With the KS the turbulent flow is simulated as a superposition of a Fourier modes series. Every mode is related to a scale which is brougth about by a wavenumber vector, and an energy which is given by the mode coefficient. These coefficients are calculated from the energy spectrum of the simulated field.The most important characteristics of the KS simulated field are:"There is no discretitation grid nor small time and space scales interpolation. The field can be calculated in any time and any position. This makes this model specially attractive for Lagrangian analysis."It is possible to choose between different parameters: energy spectrum, scales, total energy, Reynolds number.In the last part of the thesis, the results of two different analysis carried out with KS are shown.In first place, an exhaustive comparison of a bidimensional flow generated by KS and another with an identical energy spectrum generated by DNS, is performed. With both a comparative analysis Eulerian and Lagrangian is carried out. The Eulerian analysis shows various differences between both flows. However, the structure functions are very similar on small scales. The Lagrangian analysis gives surprising results with regard to the similarity between both flows. The value of the Lagrangian integral time scale allows the KS temporary evolution to be adjusted. The absolute dispersion is affected by the coherent structures due to the dynamic present in the DNS simulated flow, which are absent in the KS. These dynamic coherent structures don't seem to affect the temporary evolution of the relative dispersion.In second place, two experimental series with KS are carried out, analysing different aspects of the variation of the spectral law of turbulent flow. In the first experimental series, the spectral law is modified keeping the total energy of the field uniform. On one hand, the structure of the turbulence for different spectral laws are analysed and an expression for the p-order structure function for scales smaller than the Taylor microscale, is proposed. On the other hand, the effect on the relative dispersion is analysed.In the second experimental series, the spectral law is modified keeping the field characteristic scales uniform, obtaining strong energy variations. The effect on the relative dispersion is analysed, observing that the generalized Richardson law is fulfilled, independently of the field energy, and for spectra with

Aquest treball s'estructura a partir d'una sèrie de reflexions que es contextualitza a partir de la voluntat de sistematitzar l'estudi de l'acció del vent sobre un edifici o una estructura. Després de diferents períodes de temps i de fer un primer anàlisi bibliogràfic, es van centrar les hipòtesis d'aquesta tesi, que d'una manera amplia versa sobre la determinació teòrica i experimental en un túnel aerodinàmic tancat, de les accions estàtiques i dinàmiques provocades pel vent sobre estructures esveltes, concretament sobre un edifici prismàtic de base octogonal.La part experimental s'ha realitzat en el túnel de vent de cambra d'assaig I vena tancada que posseeix el Departament de Mecànica de Fluids en la seva Secció Departamental de Barcelona (laboratori d'aerodinàmica de l'ETSEIB), I la parta de simulació numèrica en el departament, però a la secció de l'EUETIB.Sempre he tractat d'establir les millors condicions, per tal de realitzar aquest estudi, dins de les possibilitats de què disposava, en definitiva, ha estat la meva intenció que aquesta tesi doctoral ajudi a un gran nombre d'estudiosos, en quant a la millora sistemàtica d'estudi d'aquest fenomen.El contingut d'aquest treball es mostra tot seguit:· Introducció· Estudi teòric règim estacionari· Estudi experimental règim estacionari· Resultats règim estacionari· Estudi teòric I experimental règim no estacionari· Conclusions· Referències bibliogràfiques.

Acoustic Event Detection / The detection of the Acoustic Events (AEs) naturally produced in a meeting room may help to describe the human and social activity. The automatic description of interactions between humans and environment can be useful for providing: implicit assistance to the people inside the room, context-aware and content-aware information requiring a minimum of human attention or interruptions, support for high-level analysis of the underlying acoustic scene, etc. On the other hand, the recent fast growth of available audio or audiovisual content strongly demands tools for analyzing, indexing, searching and retrieving the available documents. Given an audio document, the first processing step usually is audio segmentation (AS), i.e. the partitioning of the input audio stream into acoustically homogeneous regions which are labelled according to a predefined broad set of classes like speech, music, noise, etc. Acoustic event detection (AED) is the objective of this thesis work. A variety of features coming not only from audio but also from the video modality is proposed to deal with that detection problem in meeting-room and broadcast news domains. Two basic detection approaches are investigated in this work: a joint segmentation and classification using Hidden Markov Models (HMMs) with Gaussian Mixture Densities (GMMs), and a detection-by-classification approach using discriminative Support Vector Machines (SVMs). For the first case, a fast one-pass-training feature selection algorithm is developed in this thesis to select, for each AE class, the subset of multimodal features that shows the best detection rate. AED in meeting-room environments aims at processing the signals collected by distant microphones and video cameras in order to obtain the temporal sequence of (possibly overlapped) AEs that have been produced in the room. When applied to interactive seminars with a certain degree of spontaneity, the detection of acoustic events from only the audio modality alone shows a large amount of errors, which is mostly due to the temporal overlaps of sounds. This thesis includes several novelties regarding the task of multimodal AED. Firstly, the use of video features. Since in the video modality the acoustic sources do not overlap (except for occlusions), the proposed features improve AED in such rather spontaneous scenario recordings. Secondly, the inclusion of acoustic localization features, which, in combination with the usual spectro-temporal audio features, yield a further improvement in recognition rate. Thirdly, the comparison of feature-level and decision-level fusion strategies for the combination of audio and video modalities. In the later case, the system output scores are combined using two statistical approaches: weighted arithmetical mean and fuzzy integral. On the other hand, due to the scarcity of annotated multimodal data, and, in particular, of data with temporal sound overlaps, a new multimodal database with a rich variety of meeting-room AEs has been recorded and manually annotated, and it has been made publicly available for research purposes.

La tesis propone una metodología para el análisis de la degradación a fatiga que produce la aplicación de cargas cíclicas en un composite laminado de fibras largas.En primer lugar se han estudiado los mecanismos de degradación que son responsables del deterioro irreversible de las propiedades de rigidez y resistencia de los composites bajo cargas cíclicas. Se ha tratado de obtener una visión de los fenómenos de degradación que tienen lugar en un elemento estructural de polímero reforzado con fibras (FRP) describiendo de forma cualitativa los distintos modos de daño en laminados. A continuación, mediante una revisión de los modelos de fatiga propuestos por otros autores, se han estudiado las estrategias más comunes para la predicción del tiempo de vida de un material sometido a cargas cíclicas. En este estudio se ha dado una especial importancia al enfoque del estudio de la fatiga en composites a través de modelos de daño en la mecánica de medios continuos (MMC). En la tesis se propone un método para la formulación de la degradación por el fenómeno de la fatiga. De este modo se ha ideado una metodología que ha permitido desarrollar un modelo constitutivo integrado en la MMC para la modelización de la degradación por fatiga. El modelo permite estudiar el comportamiento del composite bajo solicitación de tensiones cíclicas de características variables. Se ha definido una formulación generalizada para las curvas S-N y otra para las curvas de resistencia residual. Se ha elaborado un modelo de acumulación de la degradación sensitivo a las características cambiantes de las tensiones cíclicas. Se ha realizado, también, la implementación del modelo de degradación de la fatiga en un sistema de cálculo numérico de elementos finitos que permite acoplar la degradación a fatiga con cualquier modelo constitutivo del material (elástico, degradación progresiva y localizada, plasticidad, etc.). Para agilizar el proceso de cálculo, la implementación numérica se ha completado con la inclusión de una metodología que permite una linealización en el avance temporal aplicando bloques representativos de conjuntos de ciclos de carga. Finalmente, se han desarrollado unos ejemplos de validación de los modelos formulados la tesis. Además, se han generado ejemplos de aplicación de la metodología para analizar del comportamiento de laminados y/o para predecir la vida de elementos estructurales de FRP durante la fase de diseño. / The present thesis proposes a methodology for the analysis of the fatigue degradation due to the application of cyclic loads to a composite laminate.First, the fatigue degradation mechanisms responsible for the irreversible loss of stiffness and strength in the laminate are studied. A global vision of the degradation phenomena involved in a structural fiber-reinforced polymer (FRP) element is obtained.After, a revision of the fatigue life models present in the literature allows the analysis of the more common strategies for the life prediction of a material under cyclic loads. Special attention is given to the continuum damage mechanics (CDM) approach for the fatigue life of composite materials.A method for the formulation of the fatigue degradation is proposed. The methodology for a constitutive model for the fatigue degradation integrated in the CDM is obtained. This model allows the study of the composite behavior under variable cyclic stresses. A generalized formulation for the S-N curves and for the residual strength curves is defined. The model for the accumulation of the degradation is sensitive to the varying characteristics of the cyclic stresses.The model for the fatigue degradation is also implemented in a Finite Element program. This makes possible to couple the fatigue degradation with other constitutive models for the material (elastic, progressive and localized degradation, plasticity, etc.). In order to prompt the calculating process, the numeric implementation is completed with a methodology for the linearization of the temporal progression by applying representative blocks of load cycles.Finally, a set of validation examples are included, as well as some examples of the application of the methodology for the analysis of the behavior of laminates and/or to predict the fatigue life of structural FRP elements during the design process.

Aquesta tesis es divideix en tres blocs on s’analitza l’efecte de diferents règims de flux en reaccions químiques. El primer bloc analitza una base de dades obtinguda a partir de simulació numèrica d’un flux reactiu i turbulent en una canal a baix nombre de Reynolds. Un dels reactius es alliberat al llarg del centre del canal i l’altre prop de les parets. Aquesta distribució produeix dues capes de barreja reactiva. Les fluctuacions de la concentració de les especies químiques es processen per determinar la contribució de les fluctuacions a petita i a gran escala en les capes de barreja. L’anàlisi s’estén per explicar les estructures de flux obtingudes. El segon bloc estudia un flux laminar i reactiu en una cavitat cilíndrica amb la paret superior rotativa. L’efecte de les diferents estructures de flux, obtingudes a diferents nombres de Reynolds en una reacció irreversible àcid-base, es mesura experimentalment amb les tècniques de PIV i PLIF, i numèricament a través de simulació on s’utilitzen volums finits. Les estructures de flux observades, les bombolles de recirculació en els trencaments de vòrtex així com els perfils numèrics de velocitat, estan d’acord amb els resultats experimentals i amb estudis previs. La comparació entre els contorns experimentals i numèrics de concentració de base a Re=1000 i 1500 es troben en concordança. A nombres de Reynolds més elevats, aquests contorns dintre del trencament del vòrtex difereixen. El tercer bloc analitza la taxa de partícules magnètiques depositades en les parets d’un microcanal. Un imant permanent es col•loca fora del canal per induir la deposició de les partícules que s’introdueixen a diferents caudals. S’utilitza un model matemàtic per simular la deposició de les partícules paramagnètiques i s’observa que a caudals elevats, els resultats numèrics i experimentals són consistents. / Esta tesis se divide en tres bloques donde se analiza el efecto de diferentes regímenes de flujo en reacciones químicas. El primer bloque analiza una base de datos obtenida a partir de simulación numérica de un flujo reactivo y turbulento en un canal a bajo número de Reynolds. Uno de los reactivos se libera a lo largo del centro del canal y el otro cerca de las paredes. Esta distribución produce dos capas de mezcla reactiva. Las fluctuaciones de la concentración de las especies químicas se procesan para determinar la contribución de las fluctuaciones a pequeña y a gran escala en las capas de mezcla. El análisis se extiende para explicar las estructuras de flujo obtenidas. El segundo bloque estudia un flujo laminar y reactivo en una cavidad cilíndrica con la pared superior rotativa. El efecto de las diferentes estructuras de flujo, obtenidas a diferentes números de Reynolds en una reacción irreversible ácido-base, se mide experimentalmente con las técnicas PIV y PLIF, y numéricamente a través de simulaciones que utilizan volúmenes finitos. Las estructuras de flujo observadas, las burbujas de recirculación en los rompimientos de vórtice así como los perfiles numéricos de velocidad están de acuerdo con los resultados experimentales y con estudios previos. La comparación entre los contornos experimentales y numéricos de concentración de base a Re=1000 y 1500 están en concordancia. A números de Reynolds más elevados, estos contornos dentro del rompimiento de vórtice difieren. El tercer bloque analiza la tasa de partículas magnéticas depositadas en las paredes de un microcanal. Un imán permanente se coloca fuera del canal para inducir la deposición de las partículas que se introducen a diferentes caudales. Se utiliza un modelo numérico para simular la deposición de partículas paramagnéticas y se observa que a caudales elevados, los resultados numéricos y experimentales son consistentes. / This thesis is divided in three blocks where the effect of different flow regimes in chemical reactions are analysed. First block analyses a database obtained from a direct numerical simulation of the turbulent reacting flow in a plane channel at low Reynolds number. One reactant is released along a line source at the center of the channel and the other near the walls. This distribution produces two reacting mass transfer mixing layers. The fluctuations of the concentration of the chemical species are processed to determine the contribution of the large and the small-scale fluctuations in the reacting mass transfer mixing layers. The analysis is extended to educe flow structures obtained. The second block analyses a laminar reactive flow in a cylindrical cavity with a rotating end wall. The effect of the different flow structures obtained at different Reynolds numbers on the irreversible fast acid-base neutralization is measured with a simultaneous PIV and PLIF techniques and simulated numerically with a finite volume code. The observed flow structure, the recirculation bubbles in the vortex breakdown regions as well as the numerical velocity profiles are in agreement with the measurements and with previous studies. The comparison between the experimental and numerical contours of concentration of base at Re=1000 and 1500 are in general agreement. At larger Reynolds numbers, the experimental and numerical contours of concentration of base inside the vortex breakdown differ. The third part analyses the rate of deposition of magnetic particles on the walls of microchannel. A permanent magnet is placed out of the channel to induce the deposition of the particles which are introduced at different flow rates. Additionally, a numerical model to simulate the deposition of the paramagnetic particles is studied and it is observed that, at high flow rates, the experimental and numerical results are consistent.

In this Thesis, new methods for monitoring marine species using optical, radio frequency and acoustic technologies have been proposed and evaluated for biological studies in the laboratory and open sea. A study of the current technologies for monitoring species has been carried out, analyzing the advantages and disadvantages of each one. Although optical technologies allow a non-contact (non-invasive) species monitoring, they require a correct positioning of the elements and they are limited to some factors such as the distance (range), the environmental conditions and the biofouling. Radiofrequency devices allow the study of species that come to the surface, or those that live in freshwater environments. But this technology is restricted in the marine environment due the high absorption of the electromagnetic signals in that environment. Acoustic devices facilitate the monitoring of species in open sea and large areas, allowing location and tracking of the animals, but this technology has to challenge different aspects such as the multipath, the temporal and spatial variation of the channel or the Doppler effect, among others. This research has been divided in three parts according the above technologies, in which have been proposed, designed and evaluated successfully different systems to monitoring species. First, the infrared detectors and low-cost cameras have been evaluated for laboratory applications. The proposal provides different solutions such the expansion and the auto configuration to make the system independent of the aquaria size. Likewise, through different algorithms proposed have been reduced false activity detections caused by changes in water quality (turbidity), the presence of particles that obstruct the line of sight between the transmitter and the receiver, and the deterioration of the transducers. In the second part of this work, solutions have been proposed using RFID (Radio Frequency IDentification) technology through the design and experimental validation of a system for tracking species in experimental aquaria. The proposal provides solutions applied to make the system independent of the aquaria size. The results have demonstrated the validity of this technology to locate and track benthic species in confined spaces with a resolution of several centimeters. Finally, the performance of a commercial acoustic monitoring system in shallow waters and near an artificial reef environment where complex and numerous reflections occur, has been evaluated. Due to the lack of standards, the incompatibility between manufacturers and the need to improve the previous results, this part of the research has been directed to build and evaluated an acoustic underwater transducer prototype and an open OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) communication platform, approaching the current advances in underwater acoustics towards the species monitoring systems. / En este trabajo de Tesis se proponen y evalúan nuevos métodos para la monitorización de especies marinas, empleando tecnologías ópticas, por radiofrecuencia y acústicas para estudios biológicos en laboratorio (acuarios de experimentación) y en espacios abiertos. Se ha realizado un estudio de las tecnologías empleadas para la monitorización de especies, presentado y analizado las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Aunque la tecnología óptica permite el estudio de especies sin contacto (no invasiva), requiere un correcto posicionamiento de sus elementos y está limitada por el alcance, las condiciones cambiantes del medio y la bioincrustación. Los dispositivos de radiofrecuencia permiten el estudio de especies que emergen a la superficie, o las que habitan en entornos de agua dulce; en el entorno marino esta tecnología se encuentra restringida debido a la gran absorción que sufren las señales electromagnéticas en ese medio. Los dispositivos acústicos facilitan la monitorización de especies en espacios abiertos de gran extensión, permitiendo su localización y seguimiento; sin embargo, esta tecnología presenta una gran sensibilidad a diferentes factores que impone el medio marino como el multicamino, la variación temporal y espacial del canal o el efecto Doppler, entre otros. La investigación se ha estructurado en tres partes donde, utilizando las tecnologías citadas, se han propuesto, diseñado y validado con éxito diferentes sistemas de medida. En primer lugar, se han evaluado los detectores de infrarrojos y las cámaras de bajo coste para la monitorización de especies en laboratorio. La propuesta contempla diferentes soluciones que independizan el sistema de las dimensiones del acuario, permitiendo su ampliación y configuración automática. Así mismo, mediante los algoritmos de procesado programados se han reducido las detecciones erróneas causadas por alteraciones de la calidad del agua (turbiedad), la presencia de partículas que obstruyen la línea de vista entre el par emisor-receptor y el deterioro de los transductores. En la segunda parte del trabajo de Tesis se han propuesto soluciones aplicando la tecnología RFID (Radio Frequency IDentification), mediante el diseño y validación experimental de un sistema de localización y seguimiento de especies en acuarios de experimentación. La propuesta realizada plantea mecanismos que independizan el sistema del tamaño del acuario, y permiten la autoconfiguración de sus componentes. Los resultados obtenidos han demostrado la validez de esta tecnología para localizar y seguir la trayectoria de especies bentónicas en espacios reducidos y con una resolución de varios centímetros. Finalmente, se ha evaluado el rendimiento de un equipo acústico comercial en mar abierto, a baja profundidad y en las proximidades de un entorno con arrecifes artificiales, donde ocurren complejas y numerosas reflexiones. Debido a la falta de estándares, la incompatibilidad entre fabricantes y con objeto de mejorar los resultados anteriores, en esta parte de la investigación se ha propuesto, construido y evaluado un prototipo de transductor acústico y una plataforma abierta de comunicaciones OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing), acercando la tendencia y los avances actuales en materia de comunicaciones acústicas a los sistemas de monitorización de especies marinas.

Un aspecte fonamental quan cal resoldre un problema vibroacústic en un sistema mecànic és el de determinar com flueix l’energia des d’una font donada, cap a qualsevol part del sistema. Això permet decidir quines són les accions a prendre per disminuir, per exemple, els nivells de soroll i vibracions en una determinada àrea del sistema. El comportament dinàmic d’un sistema mecànic es pot estimar utilitzant diversos mètodes numèrics, cadascun dels quals enfocat a un marge de freqüència determinat. Mentre a baixes freqüències es poden aplicar mètodes deterministes com el Mètode d’Elements Finits (FEM) o el Mètode d’Elements de Contorn (BEM), a altes freqüències, els mètodes estadístics com l’Anàlisi Estadística Energètica (SEA), esdevenen inevitables. A més a més, diverses tècniques com el FE-SEA híbrid, els models de Distribució Energètica (ED) o l’Anàlisi Estadística de distribució d’Energia modal (SmEdA), entre d’altres, han estat recentment plantejades per tal de tractar amb l’anomenat problema de les mitges freqüències. Tanmateix, encara que alguns mètodes numèrics poden predir la resposta vibroacústica puntual o amitjanada d’un sistema, aquests no proporcionen de forma directa informació sobre com flueix l’energia per tot el sistema. Per tant, cal algun tipus de post-processament per a determinar quines són les vies de transmissió d’energia. L’energia transmesa a través d’un determinat camí que connecti un subsistema font, on l’energia és introduïda, i un subsistema receptor, es pot calcular numèricament. Tot i això, la identificació dels camins que dominen la transmissió d’energia des d’una font fins a un receptor normalment acostuma a basar-se en l’experiència i el parer de l’enginyer. Així doncs, un mètode que permeti obtenir aquests camins de forma automàtica resultaria molt útil. La teoria de grafs proporciona una sortida a aquest problema, ja que existeixen diversos algorismes de càlcul de camins en grafs. En aquesta tesi, es proposa un enllaç entre els models vibroacústics i la teoria de grafs, que permet adreçar els problemes de vies de transmissió de forma directa. La dissertació comença centrant-se en els models SEA. Primerament, es mostra que té sentit realitzar una anàlisi de vies de transmissió (TPA) en SEA. Seguidament, es defineix un graf que representa de forma acurada els models SEA. Tenint en compte que la transmissió d’energia entre fonts i receptors es pot justificar mitjançant la contribució d’un grup finit de vies dominants en varis casos d’interès, es presenta un algorisme per calcular-les. A continuació, s’implementa un algorisme que inclou en el càlcul de camins la naturalesa estocàstica dels factors de pèrdues SEA. Tot seguit, es tracta com es pot estendre l’anàlisi de vies de transmissió al marge de la mitja freqüència. L’aplicació de la teoria de grafs a les mitges freqüències s’adapta per alguns models ED, així com també SmEdA. Finalment, es presenta una altra possible aplicació de la teoria de grafs en vibroacústica. S’implementa una estratègia basada en algorismes de talls en grafs per tal de reduir l’energia en un subsistema receptor amb la modificació d’un grup reduït de factors de pèrdues. Aquest grup de variacions, es troba calculant talls en el graf que separin els subsistemes fonts dels receptors. / A fundamental aspect when solving a vibroacoustic problem in a mechanical system is that of finding out how energy flows from a given source to any part of the system. This would help making decisions to undertake actions for diminishing, for example, the noise or vibration levels at a given system area. The dynamic behavior of a mechanical system can be estimated using different numerical methods, each of them targeting a certain frequency range. Whereas at low frequencies deterministic methods such as the Finite Element Method (FEM) or the Boundary Element Method (BEM) can be applied, statistical methods like Statistical Energy Analysis (SEA) become unavoidable at high frequencies. In addition, a large variety of approaches such as the hybrid FE-SEA, the Energy Distribution (ED) models or the Statistical modal Energy distribution Analysis (SmEdA), among many others, have been recently proposed to tackle with the so-called mid-frequency problem. However, although numerical methods can predict the pointwise or averaged vibroacoustic response of a system, they do not directly provide information on how energy flows throughout the system. Therefore, some kind of post-processing is required to determine energy transmission paths. The energy transmitted through a particular path linking a source subsystem, where external energy is being input, and a target subsystem, can be computed numerically. Yet, identifying which paths dominate the whole energy transmission from source to target usually relies on the engineer's expertise and judgement. Thus, an approach for the automatic identification of those paths would prove very useful. Graph theory provides a way out to this problem, since powerful path algorithms for graphs are available. In this thesis, a link between vibroacoustic models and graph theory is proposed, which allows one to address energy transmission path problems in a straightforward manner. The dissertation starts focusing on SEA models. It is first shown that performing a transmission path analysis (TPA) in SEA makes sense. Then a graph that accurately represents the SEA model is defined. Given that the energy transmission between sources and targets is justified by the contribution of a limited group of dominant paths in many cases of practical interest, an algorithm to find them is presented. Thereafter, an enhanced algorithm is devised to include the stochastic nature of SEA loss factors in the ranking of paths. Next, it is discussed how transmission path analysis can be extended to the mid frequency range. The graph approach for path computation becomes adapted for some ED models, as well as for SmEdA. Finally, we outline another possible application of graph theory to vibroacoustics. A graph cut algorithm strategy is implemented to achieve energy reduction at a target subsystem with the sole modification of a reduced set of loss factors. The set is found by computing cuts in the graph separating source and receiver subsystems. / Un aspecto fundamental a la hora de resolver un problema vibroacústico en un sistema mecánico es el de determinar cómo fluye la energía desde una determinada fuente hasta cualquier parte del sistema. Ello ayudaría a tomar decisiones para emprender acciones destinadas a disminuir, por ejemplo, los niveles de ruido y vibraciones en un área del sistema dada. El comportamiento dinámico de un sistema mecánico se puede estimar utilizando varios métodos numéricos, cada uno de ellos enfocado a un determinado rango de frecuencia. Mientras en las bajas frecuencias se pueden aplicar métodos deterministas como el Método de los Elementos Finitos (FEM) o el método de Elementos de Contorno (BEM), los métodos estadísticos como el Análisis Estadístico Energético son inevitables en las altas frecuencias. Además, se han desarrollado gran variedad de técnicas como el FE-SEA híbrido, los modelos de Distribución de Energía (ED) o el Análisis Estadístico de distribución de Energía modal (SmEdA), entre otras, para tratar el llamado problema de las medias frecuencias. Sin embargo, aunque los métodos numéricos pueden predecir la respuesta vibroacústica puntual o promediada de un sistema mecánico, ellos no proporcionan información sobre como fluye la energía en el sistema. Por lo tanto, hace falta algún tipo de post-procesado para determinar las vías de transmisión de energía. La energía transmitida a través de un determinado camino que conecta un subsistema fuente, donde se introduce la energía, y un subsistema receptor, se puede calcular numéricamente. A pesar de ello, identificar qué caminos dominan la transmisión de energía desde la fuente al receptor normalmente suele recaer en la experiencia o el juicio del ingeniero. Así pues, un método automático para identificar estos caminos resultaría muy útil. La teoría de grafos proporciona una solución a este problema, ya que existen potentes algoritmos de cálculos de caminos en grafos. En esta tesis, se propone un enlace entre los modelos vibroacústicos y la teoría de grafos, que permite abordar los problemas de vías de transmisión de forma directa. La disertación empieza centrándose en los modelos SEA. Primeramente, se muestra que tiene sentido realizar un análisis de vías de transmisión (TPA) en un modelo SEA. Seguidamente, se define un grafo que representa fielmente un modelo SEA. Teniendo en cuenta que en muchos casos de interés práctico, la transmisión de energía entre fuentes y receptores se puede justificar mediante la contribución de un grupo finito de vías de transmisión, se define un algoritmo para encontrarlas. A continuación, se implementa un algoritmo que incluye en el cómputo de caminos la naturaleza estocástica de los factores de pérdidas SEA. Luego, se trata la extensión del análisis de vías de transmisión al rango de media frecuencia. La técnica de teoría de grafos aplicada a cálculo de caminos se adapta para algunos modelos ED y también SmEdA. Finalmente, se presenta otra posible aplicación de la teoría de grafos a la vibroacústica. Se implementa una estrategia basada en algoritmos de cortes en grafos destinada a reducir la energía en un subsistema receptor mediante la simple modificación de un grupo reducido de factores de pérdidas. El grupo se encuentra calculando cortes que separen en el grafo los subsistemas fuentes de los subsistemas receptores.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor es pot realitzar, prèvia petició, a l'Arxiu de la UPC / Increasing global energy demand, growing carbon emissions and the depletion of fossil fuel sources are some of the most important driving forces for the development of sustainable energy solutions. Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have been demonstrated to be a potential candidate for clean energy conversion in a wide range of applications reaching from highly dynamic transportation systems to stationary systems. Despite their benefits, such as high efficiency and wide operating range, PEM fuel cells must still meet or exceed the technological advantages, such as durability and cost, of conventional power systems in order to be truly competitive. Thus, current research is focused on improving these aspects. This doctoral thesis combines experimental and model-based studies in order to improve performance and durability of PEM fuel cells, that work without external humidification, as demanded by recent government-supported research programs. Improved performance and durability can be obtained by proper system control. The key factor for the development of successful control strategies is adequate thermal and water management considering their interconnections. Therefore, this work investigates the important links between performance, efficiency and lifetime with respect to fuel cell temperature and humidification. The experimental evaluation of temperature-related and purge-related effects shows the great potential of improving the system performance by proper thermal management. In-situ and ex-situ experiments, such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), gas chromatography (GC), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were utilized in order to explore short-term and long-term effects of operation modes on performance and durability. To provide a better understanding of the experimentally observed phenomena and their different dynamics with respect to the development of efficient controllers, mathematical models have been derived. The dynamic models allow for relating electrode structure to the cell voltage transient behavior during changes in fuel cell temperature and humidification, including important phase change and ionomer sorption dynamics of water. The experimentally validated, model-based analysis provides recommendations of proper operating conditions and catalyst structure, such as optimal fuel cell temperature and adequate pore-size-distribution, in order to improve the PEM fuel cell performance. The modular character and inherent adaptability of the models has been successfully demonstrated in the study of water transport in a high temperature PEM fuel cell stack. It is shown how mathematical modeling can improve the interpretation of experimental results and provide insight into experimentally non-observable interactions. In conclusion, the presented laboratory and model-based work, including the developed experimental and mathematical tools, contribute to current international research targets for advancing sustainable energy solutions. / La creciente demanda mundial de energía, el crecimiento de las emisiones de dióxido de carbono y el agotamiento de las fuentes de combustible fósiles son algunos de los factores más importantes para el desarrollo de soluciones basadas en energies sostenibles. Las pilas de combustible de tipo Proton Exchange Membrane (PEM) han demostrado ser un candidato potencial para la conversión limpia de la energía en una extensa gama de aplicaciones, desde los sistemas de transporte altamente dinámicos hasta sistemas estacionarios. No obstante sus beneficios, tales como una alta eficiencia y un amplio rango de operación, las pilas de combustible PEM todavía deben cumplir o superar las ventajas tecnológicas de los sistemas de energía convencionales, como son su durabilidad y coste, con el fin de ser verdaderamente competitivas. Por lo tanto, la investigación actual se centra en la mejora de estos aspectos. Esta tesis doctoral combina estudios experimentales y estudios basados en modelos físicos con el fin de mejorar el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible PEM que trabajan sin humidificación externa, tal y como exigen recientes programas de investigación apoyados por los gobiernos. La mejora del rendimiento y de la durabilidad se puede obtener por control apropiado del sistema. El factor clave para el desarrollo de estrategias de control exitosas es la gestión adecuada de la temperatura y del agua y sus interconexiones. Por lo tanto, este trabajo investiga los vínculos importantes entre el rendimiento, la eficiencia y la vida útil con respecto a la temperatura de la pila de combustible y su humidificación. La evaluación experimental de los efectos relacionados con la temperatura y las purgas de hidrógeno muestra el gran potencial para mejorar el rendimiento del sistema pila mediante una gestión térmica adecuada. En esta tesis se emplean experimentos in-situ y ex-situ, tales como la espectroscopía electroquímica de impedancia (EIS), la voltametría cíclica (CV), la cromatografía de gases (CG), la espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS), la difracción de rayos X (XRD) y la microscopía electrónica de barrido (SEM) con el fin de explorar los efectos a corto plazo y a largo plazo de los modos de operación sobre el rendimiento y la durabilidad de una pila PEM. Para proporcionar una mejor comprensión de los fenómenos observados experimentalmente y sus diferentes dinámicas para el correcto desarrollo de controladores eficientes, se derivan modelos matemáticos dinámicos. Los modelos permiten relacionar la estructura de los electrodos con el comportamiento transitorio del voltaje durante los cambios de temperatura y de humidificación de la pila de combustible, incluyendo las dinámicas importantes del cambio de fase y de adsorción y desorción del agua. El análisis basado en modelos validados experimentalmente proporciona recomendaciones de las condiciones de funcionamiento y de la estructura del catalizador, tales como la temperatura óptima y la distribución de tamaño de poros apropiada, con el fin de mejorar el rendimiento de la pila de combustible PEM. El carácter modular y la adaptabilidad inherente de los modelos propuestos se demuestra con éxito en el estudio de transporte de agua en un stack de pilas de combustible PEM de alta temperatura. Se muestra como el modelado matemático puede mejorar la interpretación de los resultados experimentales y proporcionar información sobre las interacciones que experimentalmente no son observables. En conclusión, el trabajo de laboratorio y el basado en modelos que se presenta en esta tesis doctoral, incluyendo las herramientas experimentales y matemáticas desarrolladas, contribuyen a la consecución de los actuales objetivos internacionales de investigación que deben permitir aportar mejoras en las soluciones basadas en energías sostenibles.