La nanocalorimetria abre la posibilidad de realizar medidas calorimétricas en capas finas o ultra finas debido al substancial aumento de sensibilidad que presenta respecto a los sistemas comerciales. Basándonos en esa premisa, este trabajo de investigación se ha dedicado al desarrollo de nanocalorimetros basados en membranas que incorporan calentadores y termómetros en capa fina, que permiten reducir la capacidad calorífica de la celda calorimétrica y por tanto al aumento den sensibilidad.En la primera parte de la tesis describimos las técnicas de procesado de semiconductores que se usan para fabricar los microdispositivos con una especial atención a su estabilidad térmica a alta temperatura. Se muestra que usando como actuador una la combinación metálica de Pt/Ti cubierta por Al2O3, se puede utilizar con gran reproducibilidad para calentar/sensar hasta temperaturas de alrededor de 1200K.La nanocalorimetria adiabática se presenta en el capitulo 4. La técnica trabaja a ritmos de calentamiento alrededor de 104 K/s. A estos ritmos de calentamiento se pueden estudiar transformaciones de fase en capas ultrafinas con una sensitividad en energía inferior al nJ. El ruido pico a pico asociado a las medidas de capacidad calorífica es de alrededor a 20 pJ/K, para transformaciones reversibles. La dependencia con el tamaño del punto de fusión y de la entalpía de transformación para capas finas de In se han analizado como estudio preliminar. También presentamos una nueva metodología para poder evaluar la potencia de pérdidas a altas temperaturas. Empleando esta metodología se ha determinado la capacidad calorífica de capas muy finas de Ni alrededor de la transición de curie. Se presencia un estudio en el que se evidencia como los efectos de tamaño tienen un rol fundamental en la transición. La última parte de este capítulo presenta el análisis de capas ultrafinas de Ge encapsuladas entre capas de SiO2 cuando son sometidas a calentamientos ultrarápidos hasta 1200K. Se describen la transformación de amorfo a líquido así como la dependencia con el tamaño de la fusión y el sobreenfriamiento de nanocristales de Ge.En el capítulo 5 presentamos un nuevo sistema de control digital que hemos desarrollado para trabajar con los nanocalorímetros en modo compensación de potencia a ritmos de calentamiento que se expanden desde 0.1 hasta 103 K/s. Este sistema ha permitido analizar muestras de microgramos con sensitividades energéticas de µJ. Este nuevo desarrollo abre la posibilidad al estudio de transformaciones cinéticamente limitadas que típicamente necesitan de ritmos de calentamiento bajos, como por ejemplo para analizar los procesos de RTA (rápidos recocidos térmicos) usados en la industria microelectrónica.Finalmente, en los apéndices tratamos la teoría de control calorimetría y la cristalización de capas finas de Ge de diferentes espesores. / Thin film calorimetry opens the possibility to perform calorimetric measurements on ultra-thin or thin films due to the substantial increase in sensitivity compared to commercial systems. Based on this premise, the present research work deals with the development of membrane-based nanocalorimeters incorporating thin film heaters and thermometers which can work with high sensitivity because of their very low thermal mass. In the first part we describe semiconductor processing techniques that are used to fabricate the microdevices with a special care devoted to their high temperature thermomechanical stability. It is shown that alumina coated Pt/Ti resistive elements can be reproducibly used for heating/sensing up to temperatures around 1200 K. Quasi-adiabatic nanocalorimetry is presented in Chapter 4. The technique works at heating rates above 104 K/s. At these rates phase transitions in ultra-thin films can be measured with energy sensitivity in the nJ range. The associated noise in heat capacity is around 20 pJ/K, for reversible transitions. The size-dependent melting point and enthalpy of ultra-thin films of In is analyzed as a case study. A new methodology to account for power losses at high temperatures is presented in this chapter. By employing this methodology the heat capacity of very thin films of Ni at the Curie transition is determined. It is shown that size effects also play a key role in this transition. The last part of this chapter is devoted to the analysis of ultra-thin films of Ge embedded within SiO2 layers during ultrafast heating up to 1200K. The melting of the amorphous phase along with the size-dependent melting and supercooling of Ge nanocrystals is also described. In Chapter 5 we present a new digital-based control system which has been developed to work in power compensation mode at heating rates spanning from 0.1 to 103 K/s. It permits to analyze samples in the microgram range with a energy sensitivity around the µJ. This new development opens the possibility to study kinetically limited transformations that typically need for lower rates or to mimic real conditions similar to those achieved in rapid thermal processing in the microelectronic industry. Finally, several appendix dealing with control theory, calorimetry and the crystallization of Ge films of different thickness are also presented.

Establecer una cota global a las emisiones de gases de efecto invernadero ha sido imposibilitado por la complejidad que conlleva demostrar los efectos de la contribución humana al efecto invernadero. Para alcanzar un desarrollo sostenible es necesario, primero limitar y en lo posible eliminar las emisiones de dichos gases a la atmosfera. En este contexto, la adsorción de gases se ha establecido como una de las alternativas más efectivas a mediano plazo para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, en esta tesis, el objetivo principal es estudiar a nivel molecular la adsorción de gases de efecto invernadero y comprender mejor la interacción entre las distintas variables que afectan el proceso de captura. En la primera parte de esta tesis se estudió, la separación de una mezcla de hexafluoruro de azufre (SF6) y nitrógeno (N2). El SF6 se emite en pequeñas cantidades, sin embargo por ser un potente gas de efecto invernadero con un tiempo de vida extremadamente alto se requiere un control estricto de sus emisiones. En este trabajo se estudió, empleando modelos simples, el efecto del tamaño de poro, la presión y la composición de la mezcla en la separación selectiva del SF6. Posteriormente, se realizaron simulaciones con modelos realistas de dos carbonos réplicas de zeolitas y se encontró que la selectividad predicha para el SF6 en dichos materiales es superior a la de los materiales previamente reportados en la literatura. En la segunda parte del trabajo se estudió el uso de estos materiales de carbono para la captura de dióxido de carbono (CO2) a temperatura ambiente, y se encontró que su capacidad de captura de CO2 a altas presiones es comparable a la de los mejores adsorbentes de CO2 reportados. Para comprender mejor la captura en los carbonos réplicas de zeolitas, se emplearon simulaciones moleculares para obtener información acerca de su compleja estructura interna y predecir las interacciones del CO2 con el interior de estos materiales. En la parte final de esta tesis se estudiaron materiales híbridos organo-inorgánicos, en particular, adsorbentes de sílica funcionalizados con grupos amino. Se desarrolló una nueva metodología de simulación para la generación de materiales de sílica funcionalizados con cadenas orgánicas y el cálculo de sus propiedades de adsorción. La metodología se evaluó empleando modelos de sílica gel y MCM-41 funcionalizados con diferentes cadenas orgánicas, comparando los resultados de las simulaciones de las isotermas de adsorción y la densidad de funcionalización con datos experimentales. Simultáneamente, se desarrolló un nuevo método que permite calcular adicionalmente a la fisisorción la quimisorción del CO2 en las aminas empleando simulaciones moleculares. En resumen, esta tesis de doctorado resalta diferentes posibilidades para la captura y separación de gases de efecto invernadero y proporciona nuevas herramientas de simulación para evaluar y optimizar sistemas de captura de gases. Esta tesis se enmarca dentro de la ciencia de materiales y muestra como la investigación básica en este campo puede ser usada como una herramienta para evaluar y optimizar procesos industriales. / The establishment of a global limit on the emissions of greenhouse gases has been hindered by the complexity to prove the effects of manmade greenhouse gases on a global scale. In order to achieve a sustainable development it is important to limit, and when possible eliminate, emissions of industrial greenhouse gases to the atmosphere. In this context, adsorption has been established as one of the best cost-effective means of reducing emissions of greenhouse gases in the short-term. Thus, in this thesis, the main objective is to study at a molecular level the adsorption of greenhouse gases and to obtain a better insight into the capture processes for their future optimization. Molecular simulations are used in order to find the optimal diameter for the separation of sulfur hexafluoride (SF6) from nitrogen (N2); this mixture is commonly used in electrical applications. SF6 is typically emitted in small quantities, but because it is a potent greenhouse gas and possesses extremely long lifetimes, there is a pressing need for a strict control of its emissions. The effect of pore size, pressure, and mixture compositions on the selective adsorption of SF6 was investigated using simple models. Subsequently, simulations using two atomistic models of zeolite templated carbons were performed. The separation selectivities compared favorably to the materials previously reported for the separation of this mixture. Moreover, the potential use of these two templated carbon materials to capture carbon dioxide (CO2) at room temperature is reported. Their high-pressure CO2 adsorption isotherms are among the highest carbon capture capacity for carbonaceous materials and are comparable to the best CO2 adsorbing materials. In addition, the simulated adsorption isotherms were used to obtain new insights into the adsorption process of the templated carbons. In the final part of the thesis hybrid organic-inorganic adsorbents were studied. For CO2 capture, solid adsorbents are functionalized with amino groups that largely increase their adsorption capabilities. However, the underlying mechanism of the adsorption process in the functionalized materials is not fully understood, limiting the possibility of designing optimal adsorbent materials for different applications. The adsorption of CO2 in aminefunctionalized silica materials was studied using Monte Carlo molecular simulations. A simulation methodology for the design of functionalized silica materials was proposed. The methodology was evaluated using models of silica gel and MCM-41 functionalized with different organic groups, comparing the resulting adsorption isotherms and grafting density to available experimental data. Furthermore, a new scheme that allows accounting for the chemisorbed CO2 on the adsorption isotherms is presented In summary, this PhD thesis highlights different possibilities for the capture and separation of greenhouse gases and provides new tools for evaluating and optimizing capture systems. Finally, this dissertation shows the use of basic research in Materials Science as an established tool for evaluating and optimizing thermodynamics of engineering processes.

L'emmagatzematge frigorífic de prunes fresques durant llargs períodes de temps és una pràctica habitual en la regió productora Alto Valle de Río Negro y Neuquén(Argentina) que permet allargar el període de venda en el mercat intern o en països veïns, com també possibilitar l'exportació via marítima cap a països de l'Hemisferi Nord. A causa de que la vida postcollita de les prunes es veu limitada principalment per l'excessiu estovament i el desenvolupament de danys per fred en el fruit, l'objectiu principal de la present tesi ha estat mantenir la qualitat i millorar l'emmagatzematge frigorífic dels fruits d'aquesta espècie mitjançant l'aplicació de tractaments amb 1- metilciclopropé (1 MCP).Els resultats obtinguts han permès comprovar que l'aplicació de 1-MCP disminueix la producció d'etilè i, en conseqüència, retarda la maduració postcollita en prunes climatèriques. Els fruits tractats van presentar un menor grau d'estovament de la polpa, menys pèrdua de l'acidesa, i menys canvis en el color de l'epidermis i de la polpa.L'efecte de l'1-MCP sobre la maduració en prunes climatèriques va ser independent de la dosi aplicada, i va ser menor a mesura que s'incrementava la capacitat dels fruits en produir etilè. En aquest sentit, l'efecte va ser menor quan es prolongava la vida comercial a 20ºC, quan els fruits corresponien a dates de collita tardanes, quan es tractava de fruits emmagatzemats a 5ºC, i en aquelles varietats amb una elevadavelocitat de producció d'etilè. A pesar d'això, l'aplicació d'1-MCP després de la collita va fer possible l'emmagatzematge a 0ºC (fins a 50 dies) dels fruits recol·lectats tardanament, i va permetre l'emmagatzematge a 5ºC (fins a 30 dies) dels fruits recol·lectats en una data primerenca (la qual cosa suposa que es pot obtenir un estalvi energètic en l'emmagatzematge d'aquests fruits). D'altra banda, l'aplicació de 1-MCP després de la conservació va ser efectiva per perllongar la vida comercial dels fruits, representant això un avantatge de tipus comercial pel sector (a l'aportar una major flexibilitat a l'aplicació d'aquesta tecnologia). L'aplicació d'1-MCP en varietats de prunes amb un comportament climatèric suprimit no va suposar beneficis en comparació als fruits control, cosa atribuïble al fet de que la maduració d'aquestes varietats no depèn, o ho fa parcialment, de l'etilè.D'un altre costat, els resultats obtinguts en la tesi demostren que l'etilè participa en el desenvolupament dels danys per fred (transparència de la polpa) i que l'1-MCP resulta interessant per a reduir aquests desordres en prunes climatèriques. La incidència de transparència es va relacionar amb la resposta d'estrès que es produeix en els fruits a curt termini durant la permanència dels mateixos en fred, i la seva influència en la inducció del procés climatèric després de la sortida de cambra frigorífica. També es va poder verificar que la sensibilitat dels fruits als danys per fred depenia de la varietat (essent major en aquelles varietats que presenten un patró de maduració climatèrica més accentuat), de l'estat de maduresa (essent els fruits de collites primerenques més sensibles que els de collites tardanes), i de la campanya (la qual cosa indica la influència de factors precollita).En aquelles varietats climatèriques de prunes, el tractament amb 1-MCP va reduir significativament la incidència de danys per fred. Aquest efecte es va relacionar amb l'efecte inhibidor que té aquest tractament sobre el metabolisme de l'etilè i especialment amb la major capacitat de convertir l'ACC en MACC, suggerint això que la malonització és un dels processos implicats en la regulació de la producció d'etilè, i, per tant, en la prevenció de danys per fred en prunes.En conjunt, els resultats obtinguts en la present tesi demostren que l'1-MCP és una eina efectiva per mantenir la qualitat postcollita de prunes climatèriques. Així doncs, es proposa aquest tractament per ampliar el període de comercialització d'aquestes prunes cap a mercats pròxims i per facilitar l'exportació marítima cap a mercats de contra-estació. / El almacenamiento frigorífico prolongado de ciruelas frescas es una práctica habitual en la región productora del Alto Valle de Río Negro y Neuquén (Argentina) que permite tanto extender el periodo de venta en el mercado interno o hacia países limítrofes, como también posibilitar la exportación vía marítima hacia países del Hemisferio Norte. Debido a que la vida postcosecha de las ciruelas se ve limitada por el excesivo ablandamiento y el desarrollo de daños por frío, el objetivo primordial de la presente tesis fue mantener la calidad y mejorar el almacenamiento frigorífico de los frutos de esta especie mediante la aplicación de tratamientos con 1-metilciclopropeno (1-MCP).Los resultados obtenidos permitieron comprobar que la aplicación de 1-MCP reduce la producción de etileno y en consecuencia retrasa la maduración postcosecha en ciruelas climatéricas. Los frutos tratados presentaron una reducción del ablandamiento de la pulpa, de la pérdida de acidez y de los cambios en el color de la epidermis y de la pulpa.El efecto del 1-MCP sobre la maduración en ciruelas climatéricas fue independiente de la dosis aplicada y se redujo a medida que se incrementó la capacidad de los frutos de producir etileno. De esta forma, el efecto fue menor cuando se prolongó la vida comercial a 20ºC, en frutos de cosechas tardías, en frutos almacenados a 5ºC, y en aquellas variedades con una alta tasa de producción de etileno. A pesar de ello, la aplicación de 1-MCP después de la cosecha posibilitó el almacenamiento a 0ºC (hasta 50 días) de los frutos de cosechas tardías, y permitió el almacenamiento a 5ºC (hasta 30 días) de los frutos de cosechas tempranas, con el consecuente ahorro de energía en el almacenamiento frigorífico de estos frutos. Adicionalmente, la aplicación de 1-MCP después de la conservación fue efectiva para prolongar la vida en estante de los frutos, suponiendo ello una ventaja comercial al otorgar una mayor flexibilidad al uso de esta tecnología. La aplicación de 1-MCP en variedades de ciruelas con un comportamiento climatérico suprimido no produjo beneficios con respecto a los frutos control, debido a que la maduración de dichas variedades no depende o depende parcialmente del etileno.Por otro lado, los resultados obtenidos durante esta tesis demuestran que el etileno participa en el desarrollo de daños por frío (transparencia de pulpa) y que el 1-MCP resulta de interés para reducir este desórden en ciruelas climatéricas. La incidencia de transparencia se relacionó con la respuesta de estrés que se produce tras un corto plazo en frío y su influencia en la inducción del proceso climatérico después de la salida de cámara. También pudo verificarse que la sensibilidad de los frutos a los daños por frío dependió de la variedad (fue mayor en variedades con un patrón de maduración climatérico acentuado), del estado de madurez a la cosecha (los frutos de cosechas tempranas resultaron ser más sensibles que los de cosechas tardías) y de la temporada (lo cual indica la influencia de factores precosecha).En todas las ciruelas climatéricas, el tratamiento con 1-MCP redujo significativamente la incidencia de daños por frío. Este efecto se relacionó con el efecto inhibidor que tiene este tratamiento sobre el metabolismo del etileno y especialmente con una mayor capacidad de convertir el ACC en MACC, sugiriendo ello que la malonilación es uno de los procesos implicados en la regulación de la producción de etileno y, por lo tanto, en la prevención de los daños por frío en ciruelas.En conjunto, los resultados obtenidos en la presente tesis demuestran que el 1-MCP es una herramienta efectiva para mantener la calidad postcosecha de ciruelas japonesas climatéricas. Se propone utilizar este tratamiento para ampliar la ventana de comercialización de estos frutos en mercados cercanos y facilitar su exportación marítima hacia mercados de contra-estación. / Long-term refrigerated storage of fresh Japanese plums is a regular practice in the productive region of the High Valley of Río Negro and Neuquén (Argentina). It allows extended sale periods in the domestic market and neighbouring countries and export by sea to the Northern Hemisphere. Given that plum's postharvest life is limited due to excessive softening and chilling injury development, the main aim of this thesis was to maintain and improve the quality of plums during storage by applying 1- methylcyclopropene (1-MCP).1-MCP application reduced ethylene production and thus delayed postharvest ripening in climacteric plums. 1-MCP-treated fruit exhibited a reduction in flesh softening, in acidity loss and in epidermis and flesh colour changes. The effect of 1- MCP on ripening in climacteric plums was not affected by the dose and decreased as the ethylene production capacity increased with maturity. 1-MCP was also less effective when commercial life at 20ºC was extended, in late harvested fruit, in fruit stored at 5ºC, and in cultivars with high ethylene production rates. However, postharvest application of 1-MCP remained effective to improve the quality of lateharvested fruit stored up to 50 days at 0ºC and early-harvested fruit storage up to 30 days at 5ºC, the later possibly resulting in power savings during fruit storage.Additionally, a post-storage 1-MCP treatment was effective in extending the fruit's shelf life allowing a more flexible use of this technology. The application of 1-MCP to plum cultivars showing a suppressed climacteric behaviour, making them not or only partially ethylene dependent, did not result in any benefit.Our results also showed that ethylene participates in chilling injury development (flesh translucency) and that 1-MCP may reduce these disorders in climacteric plums.Translucency incidence was related to short-term response to cold stress and to the induction of the climacteric process after removal from cold storage. Fruit sensitivity to chilling injury was also cultivar dependent (cultivars with a marked climacteric ripening pattern were more sensitive), related to harvest maturity (early-harvested fruit was more susceptible than late-harvested fruit) and of the year (which indicates the influence of pre-harvest factors).The incidence of chilling injury was significantly reduced by 1-MCP treatment in all the climacteric plum cultivars. This was related to the effect that this treatment has on ethylene metabolism, and particularly to enhanced ability to convert ACC to MACC.These results, suggest that malonylation is one of the most important processes involved in ethylene regulation in plums and thus in the prevention of chilling injury.Collectively, the results presented in this thesis show that 1-MCP is an effective tool to maintain postharvest quality of climacteric Japanese plums. They suggest that this treatment could be used to widen the commercial window of these fruits in neighbouring markets and to facilitate shipping to distant markets.

En esta tesis doctoral se estudia el uso de las mezclas ternarias NH3/H2O/XOH (X: NaOH, KOH, LiOH) en ciclos de refrigeración por absorción activados con energía solar térmica o calor residual. La adición de hidróxidos alcalinos NaOH, KOH o LiOH a la mezcla amoníaco/agua disminuye la temperatura de ebullición de la mezcla y favorece la separación del amoniaco al desplazar el equilibrio de disolución del amoniaco en agua hacia la separación del amoniaco en fase gas, con la consiguiente reducción de las etapas de rectificación y un aumento del COP y de la capacidad frigorífica del equipo. Sin embargo, la presencia del hidróxido en el absorbedor es perjudicial ya que reduce la capacidad de absorción del amoníaco por el absorbente. Este efecto puede contrarrestarse limitando la presencia del OH- en el absorbedor para lo cual el ciclo básico ha de modificarse incluyendo una etapa de separación que confine el OH- en el generador. / The use of ammonia-water absorption refrigeration cycles driven by low temperature heat sources such as thermal solar energy or waste heat from some new energy distributed generation technologies is so far not feasible due to the low temperature of some of these heat sources. To overcome this problem over the past several years, it has been proposed the addition of hydroxides to the ammonia-water mixture.The objective of this thesis is to study the effect of the NaOH, KOH and LiOH in the liquid vapour equilibrium of NH3/H2O mixture in order to reduce the boiling temperature, to select the hydroxide that presents more advantages for the operation of the absorption cycle and perform several simulations with the selected hydroxide to evaluate the overall performance of the cycle using the new ternary mixture.

The main purpose of the dissertation is to contribute to the development of numerical techniques for computational heat transfer and fluid flow, suitable for low cost (loosely coupled) parallel computers. It is focused on implicit integration schemes, using finite control volumes with multigrid (MG) algorithms.Natural convection in closed cavities is used as a problem model to introduce different aspects related with the integration of the incompressible Navier-Stokes equations, such as the solution of the pressure correction (or similar) equations that is the bottleneck of the algorithms for parallel computers. The main goal of the dissertation has been to develop new algorithms to advance in the solution of this problem rather than to implement a complete parallel CFD code. An overview of different sequential multigrid algorithms is presented, pointing out the difference between geometric and algebraic multigrid. A detailed description of segregated ACM is given. The direct simulation of a turbulent natural convection flow is presented as an application example. A short description of the coupled ACM variant is given.Background information of parallel computing technology is provided and the the key aspects for its efficient use in CFD are discussed. The limitations of low cost, loosely coupled cost parallel computers (high latency and low bandwidth) are introduced. An overview of different control-volume based PCFD and linear equation solvers is done. As an example, a code to solve reactive flows using Schwartz Alternating Method that runs particularly well on Beowulf clusters is given.Different alternatives for latency-tolerant parallel multigrid are examined, mainly the DDV cycle proposed by Brandt and Diskin in a theoretical paper. One of its main features is that, supressing pre-smoothing, it allows to reduce the each-to-neighbours communications to one per MG iteration. In the dissertation, the cycle is extended to two-dimensional domain decompositions. The effect of each of its features is separately analyzed, concluding that the use of a direct solver for the coarsest level and the overlapping areas are important aspects. The conclusion is not so clear respect to the suppression of the pre-smoothing iterations.A very efficient direct method to solve the coarser MG level is needed for efficient parallel MG. In this work, variant of the Schur complement algorithm, specific for relatively small, constant matrices has been developed. It is based on the implicit solution of the interfaces of the processors subdomains. In the implementation proposed in this work, a parallel evaluation and storage of the inverse of the interface matrix is used. The inner nodes of each domain are also solved with a direct algorithm. The resulting algorithm, after a pre-processing stage, allows a very efficient solution of pressure correction equations of incompressible flows in loosely coupled parallel computers.Finally, all the elements presented in the work are combined in the DDACM algorithm, an algebraic MG equivalent to the DDV cycle, that is as a combination of a parallel ACM algorithm with BILU smoothing and a specific version of the Schur complement direct solver. It can be treated as a black-box linear solver and tailored to different parallel architectures.The parallel algorithms analysed (different variants of V cycle and DDV) and developed in the work (a specific version of the Schur complement algorithm and the DDACM multigrid algorithm) are benchmarked using a cluster of 16 PCs with a switched 100 Mbits/s network.The general conclusion is that the algorithms developed are suitable options to solve the pressure correction equation, that is the main bottleneck for the solution of implicit flows on loosely coupled parallel computers.

The target of this work is to contribute to the enhancement of numerical methods for the simulation of complex thermal systems. Frequently, the factor that limits the accuracy of the simulations is the computing power: accurate simulations of complex devices require fine three-dimensional discretizations and the solution of large linear equation systems.Their efficient solution is one of the central aspects of this work. Low-cost parallel computers, for instance, PC clusters, are used to do so. The main bottle-neck of these computers is the notwork, that is too slow compared with their floating-point performance.Before considering linear solution algorithms, an overview of the mathematical models used and discretization techniques in staggered cartesian and cylindrical meshes is provided. The governing Navier-Stokes equations are solved using an implicit finite control volume method. Pressure-velocity coupling is solved with segregated approaches such as SIMPLEC.Different algorithms for the solution of the linear equation systems are reviewed: from incomplete factorizations such as MSIP, Krylov solvers such as BICGSTAB and GMRESR to acceleration techniques such as the Algebraic Multi Grid and the Multi Resolution Analysis with wavelts. Special attention is paid to preconditioned Krylov solvers for their application to parallel CFD problems.The fundamentals of parallel computing in distributed memory computers as well as implemetation details of these algorithms in combination with the domain decomposition method are given. Two different distributed memory computers, a Cray T3E and a PC cluster are used for several performance measures, including network throughput, performance of algebraic subroutines that affect to the overall efficiency of algorithms, and the solver performance. These measures are addressed to show the capabilities and drawbacks of parallel solvers for several processors and their partitioning configurations for a problem model.Finally, in order to illustrate the potential of the different techniques presented, a three-dimensional CFD problem is solved using a PC cluster. The numerical results obtained are validated by comparison with other authors. The speedup up to 12 processors is measured. An analysis of the computing time shows that, as expected, most of the computational effort is due to the pressure-correction equation,here solved with BiCGSTAB. The computing time algorithm , for different problem sizes, is compared with Schur-Complement and Multigrid. / El trabajo de tesis se centra en la solución numérica de las ecuaciones de navier-Stokes en regimen transitorio, tridimensional y laminar. Los algoritmos utilizados son del tipo segregado (SIMPLEC)y se basan en el uso de técnicas de volumenes finitos, con mallas estructurales del tipo staggered y discretizaciones temporales implícitas. En este contexto, el pricipal, problema son los elevados tiempos de cálculo de las simulaciones, que en buena parte se deben a la solución de los sistemas de ecuaciones lineales. Se hace una revisión de diferentes métodos utilizados típicamente en ordenadores secuenciales: GMRES, BICGSTAB, ACM, MSPIP. A fin de reducir los tiempos de cálculo se emplean ordenadores paralelos de memoria distribuida, basados en la agrupacion de ordenadores personales convencionales (PC clusters). Por lo que respecta a la potencia de cálculo por procesador, estos sistemas son comparables a los ordenadores paralelos de memoria distribuida convencionales (como el Cray T3E) siendo, su principal problema la baja capacidad de comunicación (elevada latencia, bajo ancho de banda). Este punto condiciona toda la estrategia computacional, obligando a reducir al máximo el número y el tamaño de los mensajes intercambiados. Este aspecto se cuantifica detalladamente en la tesis, realizando medidas de tiempos de cálculo en ambos ordenadores para diversas operaciones críticas para los algoritmos lineales. Tambien se miden y comparan los tiempos de cálculo y speed ups obtenidos en la solución de los sistemas lineales con diferentes algoritmos paralelos (Jacobi, MSIP, GMRES, BICGSTAB) y para diferentes tamaños de malla. Finalmente, se utilizan las técnicas anteriores para resolver el caso denominado driven cavity, en situacionies tridimensionales y con numeros de Reynolds de hasta 8000. Los resultados obtenidos se utilizan para validar los códigos desarrollados, en base a resultados de otros códigos y también se basa en la comparación con resultados experimentales procedentes de la bibliografía. Se utilizan hasta 12 procesadores, obteniendose spped ups de hasta 9.7 en el cluster de PCs. Se analizan los tiempos de cálculo de cada fase del código, señalandose areas para futuras mejoras. Se comparan los tiempos de cálculo con los algoritmos implementados en otros trabajos. La conclusión final es que los clusters de PCs son una plataforma de gran potencia en los cálculos de dinámica de fluidos computacional.

The present thesis aims at developing numerical methods and algorithms for the efficient simulation of diffusion flames in the flamelet regime. To tackle turbulent chemically reacting flows a double framework is used in the present thesis. On the one hand, flow description is performed in the context of Large Eddy Simulation (LES) techniques. On the other hand, thermochemistry is modelled by means of flamelet models. The flamelet regime is characterised by the split of the combustion process into a flame structure case and flow transport case. Therefore, to study chemically reacting flows it is required an algorithm for computing variable density flows and a model to describe chemical kinetics. In order to accomplish these goals the thesis is divided into five chapters, each one describing and analysing a specific aspect of the required numerical methods. In first place, in Chapter 1 the basic formulation for describing chemically reacting flows is detailed. Chemical kinetics are briefly described and transport terms for multicomponent flows are detailed. Then, an introduction to turbulent combustion is performed, where the challenges of simulating these flows using finite rate kinetics are stated. It is then argued that specific models are required. Before proceeding to describe the combustion model, an algorithm for the simulation of variable density flows is described and studied in Chapter 2. Furthermore, the study revolves around the use of unstructured meshes. A temporal integration scheme, specifically a multi-step scheme, and two spatial discretisation schemes, namely collocated and staggered schemes, are described and studied. In Chapter 3 a flamelet model for the simulation of diffusion flames is described. First, the flamelet regime is described and the flame equations in mixture fraction space are presented. Then, a Flamelet/Progress-Variable model is used to fully describe the flame. The two main parameters of the model are the mixture fraction and the progress-variable. Additionally, a finite differences method for the solution of the flamelet equations is presented. Since the target flames are turbulent, assumed probability density functions are introduced in order to restate the flamelet solutions as stochastic quantities. The model allows precomputing the flame thermochemistry and storing it into a database, which is accessed during simulations in physical space. The next two chapters deal with the parameters used to represent the flamelet database. First, Chapter 4 studies the definition of the progress-variable, which is required to unambiguously represent the chemical state. The definition of this parameter has been reported to be case sensitive. The present work evidences a dependence on the diffusion model. Definitions found valid for Fickian diffusion are shown to result in non-monotonic distributions when differential diffusion is considered. Furthermore, in the chapter two detailed chemical mechanism are considered. Tests include a CH4/H2/N2 diffusion flame and a self-igniting CH4 flame, where the fuel issues into a vitiated coflow. In the latter case, chemical mechanisms are shown to play a central role in the prediction of the flame stabilisation distance. Lastly, when turbulent flames are considered, the flamelet database is stated as a function of stochastic parameters. Among them, the mixture fraction variance, which represents mixing at the subgrid level, requires modelling. Since chemical reactions in the flamelet regime occur at scales smaller than the Kolmogorov scale, the correct characterisation of subgrid mixing is a critical issue. Hence, in Chapter 5 different models for the evaluation of the subgrid variance are studied. The study case is the methane/hydrogen/nitrogen diffusion flame. The study shows that correct description of the subgrid mixing is critical in accurately predicting the flame stabilisation. / Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar mètodes numèrics i algoritmes per a la simulació eficient de flames de difusió en el règim flamelet. Per simular fluxos turbulents i químicament reactius és necessari un marc teòric doble. D'una banda, la descripció del flux es realitza en el context de tècniques Large Eddy Simulation (LES). D'altra banda, la termoquímica es modela per mitjà de models flamelet. El règim flamelet es caracteritza per la divisi ó del procés de combustió en l'estructura de la flama i el transport del flux. Per tant, per estudiar fluxos químicament reactius es requereix un algoritme per calcular fluxos amb densitat variable i un model per descriure la cinètica química. Per assolir aquests objectius, la tesi es divideix en cinc capítols, on cadascun descriu i analitza un aspecte específic dels mètodes numèrics requerits. Al Capítol 1 es detalla la formulació bàsica per descriure fluxos químicament reactius. La cinètica química, i els termes i coeficients de transport per a fluxos multicomponents es detallen. A continuació, es realitza una introducció a la combustió turbulenta, indicant les limitacions per a la simulació d'aquests fluxos quan s'usa cinètica finita, i argumentant la necessitat d'usar models específics. Abans de passar a descriure el model de combustió, en el capítol 2 es descriu i s'estudia un algoritme per a la simulació de fluxos de densitat variable. L'estudi es centra en l' ús de malles no estructurades. En el capítol es descriuen i estudien un esquema temporal d'integració, concretament un esquema multi-pas, i dos esquemes de discretització espacial, esquemes collocated i staggered. En el capítol 3 es descriu un model flamelet per a flames de difusió. En primer lloc s'introdueix el règim flamelet i les equacions de flama en l'espai fracció de mescla. Aleshores, el model Flamelet/Progress-Variable s'utilitza per descriure completament la flama. Els dos paràmetres principals del model són la fracció de mescla i la variable-progrés. A més, es presenta un mètode de diferències finites per a la solució de les equacions flamelet. Donat que les flames objectiu són turbulentes, s'usen funcions de densitat de probabilitat assumides per tal de parametritzar les solucions flamelet mitjançant quantitats estocàstiques. El model permet precomputar la termoquímica de la flama i emmagatzemar-la en una base de dades, la qual és accedida durant les simulacions en l'espai físic. Els dos capítols següents tracten sobre els paràmetres emprats per representar la base de dades flamelet. En primer lloc, al Capítol 4 s'estudia la definició de la variable de progrés, que ha de representar de forma inequívoca l'estat termoquímic. S'ha demostrat que la definició d'aquest paràmetre és depenent del cas. En el capítol es posa de manifest una dependència respecte del model de difusió. Definicions vàlides per a difusió "Fickian" es mostren que donen lloc a distribucions no monòtones quan es considera difusió diferencial. A més, es consideren dos mecanismes químics detallats. Els casos d'estudi inclouen un flama de difusió de CH4/H2/N2 i una flama de CH4 auto-encesa, on el combustible flueix dins un flux d'oxidant calent. En aquest últim cas, es mostra que el mecanisme químic juga un paper central en la predicció de la distància estabilització de la flama. Finalment, quan es consideren flames turbulentes, la base de dades "flamelet" es parametritza emprant variables estocàstiques. Entre ells, la variància de la fracció mescla, que representa la barreja en el nivell subgrid, ha de ser modelada. Ja que les reaccions químiques en el règim flamelet ocorren a escales menors que l'escala de Kolmogorov, és crítica la correcta descripció de la mescla subgrid. Per tant, en el Capítol 5 s'estudien diferents models per a l'avaluació de la variància subgrid.

En aquesta tesi s'ha desenvolupat una tècnica de test que permet testar un LNA i un mesclador, situats en el capçal RF d'un receptor CMOS, en una configuració de test semblant al mode normal de funcionament.La circuiteria necessària per a implementar aquesta tècnica consta d'un generador IF, per a generar el senyal IF de test, i d'un mesclador auxiliar, per a obtenir el senyal RF de test.Les observables de test escollides han estat l'amplitud de la tensió de sortida del mesclador i el component DC del corrent de consum.S'ha estudiat l'eficàcia de la tècnica de test proposada utilitzant les estratègies de test estructural i predictiu, mitjançant simulacions i mesures experimentals. La seva eficàcia és comparable a altres tècniques de test existents, però l'àrea addicional dedicada a la circuiteria test és inferior. / En esta tesis se ha desarrollado una técnica de test que permite verificar un LNA y un mezclador, situados en el cabezal RF de un receptor CMOS, en una configuración de test similar al modo normal de funcionamiento.Los circuitos necesarios para implementar esta técnica son: un generador IF, que permite generar la señal IF de test, y un mezclador auxiliar, para obtener la señal RF de test.Las observables de test seleccionadas han sido la amplitud de la tensión de salida y la componente DC de la corriente de consumo.Se ha estudiado la eficacia de la técnica propuesta usando las estrategias de test estructural y predictiva, mediante simulaciones y medidas experimentales. Su eficacia es comparable a otras técnicas existentes, pero el área dedicada a la circuiteria de test es inferior. / This PhD thesis develops a test technique intended for the RF front end of CMOS integrated receivers. This test technique allows testing individually the building blocks of the receiver in a sequential way. The test mode configuration of each block is similar to the normal mode operation. The auxiliary circuitry required to generate the test stimuli consists of an IF generator, which generates the IF test signal, and an auxiliary mixer that produces the RF test signal by mixing the IF test signal with the local oscillator signal.The test observables selected for the test are the voltage amplitude after the IF amplifier, and the DC component of the supply current in each block.The capability of the proposed test technique to perform structural and predictive test strategies has been validated by simulation and experimentally. Its efficiency is comparable to other existing techniques, but the silicon area overhead is lower.

La creciente demanda del confort humano está obligando a la comunidad científica a buscar nuevas técnicas que permitan aprovechar al máximo los recursos disponibles. Gran parte de esta demanda es consumida por sistemas de producción de frío basados en la compresión de vapor, por tanto, constituye uno de los sectores estratégicos a tener en cuenta para contribuir al desarrollo sostenible mediante la optimización energética de las instalaciones frigoríficas. Además de la búsqueda de soluciones eficientes desde un punto de vista energético, la comunidad científica dirige sus esfuerzos en la búsqueda de nuevas sustancias refrigerantes cuyo efecto no sea nocivo para el medio ambiente. Con el fin de contribuir y fomentar el uso del fluido natural CO2 como refrigerante, se ha elaborado la presente tesis doctoral que está centrada en estudios teóricos y posterior análisis experimental del funcionamiento de una planta frigorífica de compresión de vapor que emplea CO2 como refrigerante en condiciones supercríticas. Esta nueva iniciativa permite minimizar al máximo el impacto medioambiental generado por las emisiones de refrigerantes artificiales, aunque requiere de una tecnología completamente nueva debido a las propiedades físicas del propio refrigerante. El objeto de este análisis se centra en continuar buscando aquellas configuraciones que logren mejorar el rendimiento energético de las instalaciones que empleen R744 como refrigerante. En la presente tesis doctoral se ha efectuado un estudio experimental de una configuración con un sistema de expansión en una única etapa, donde se ha analizado la influencia del aceite en la masa de refrigerante a cargar en la instalación y en el comportamiento de la misma. Este funcionamiento se compara con el comportamiento que adopta un ciclo que cuenta con un sistema de doble etapa de expansión y depósito intermedio entre ambas etapas, que le proporciona la masa que necesita en todo momento. Además, se estudia el comportamiento de la instalación al insertar en ambas configuraciones un IHX. Por otro lado, en este trabajo también se ha llevado a cabo un análisis experimental de la instalación operando en régimen supercrítico frente al modo de operación en régimen subcrítico cuando las condiciones externas lo permiten. De esta forma, se evalúa la posibilidad de operar con ambos sistemas a partir de una instalación dimensionada para operar en régimen supercrítico. El último análisis experimental realizado se basa en la búsqueda de nuevas configuraciones para mejorar el rendimiento energético del equipo, donde se estudia la extracción de vapor en el depósito de acumulación y la posterior inyección ó recompresión en diferentes puntos de la instalación. Estos análisis experimentales se han complementado con estudios de carácter teórico. El primer estudio teórico se ha basado en el modelado de la instalación frigorífica para analizar la energía calorífica generada en el foco caliente y destinada a activar otras aplicaciones. El segundo estudio ha consistido en el modelado matemático de dos tipos diferentes de intercambiadores de calor, uno de tubo concéntrico y flujo paralelo y otro de flujo cruzado con tubos aleteados externamente.

Els electrosprays estan constituïts de microgotes amb alta càrrega elèctrica i en moviment sota l'acció de forces electrostàtiques. Les gotes es generen com a resultat de la ruptura d'un doll de líquid sotmès a un camp elèctric prou fort. Les gotetes generades per tant, són transportats sota la influència combinada del gradient electrostàtic entre l'emissor i la contraplaca, la interacció amb la càrrega de les gotes del voltant i la força de la resistència aerodinàmica. La major part de les aplicacions de electrospray impliquen l'evaporació de les gotes com a part fonamental per aconseguir el resultat desitjat. Quan un conjunt de partícules d'aerosol es mou amb una velocitat neta en relació amb el gas circumdant, les partícules exerceixen una força d'arrossegament sobre el gas que causa el moviment del gas. En electrosprays, aquest moviment del gas és induït per les microgotes altament carregades sota l'acció de forces electrostàtiques. Mentre que molts models numèrics no han considerat el flux de gas induït en les simulacions numèriques de electrosprays, l'evidència experimental mostra que aquesta velocitat del gas modifica el comportament del esprai a nivell local. Considerant la incidència que aquest moviment del gas pot tenir en l'evaporació de gotetes en electrosprays volàtils, es fa evident que és necessari disposar d'una metodologia per a la simulació de la dinàmica de electrosprays que inclogui aquest aspecte. A més, ja que el moviment de gas també influeix en el moviment de les gotes, la formulació ha de considerar que aquests moviments són completament acoblats (és a dir, acoblats en les dues direccions). Aquests models més complets han de ser capaços de dilucidar la influència del flux de gas induït en variables d'importància pràctica, com ara són el patró de flux de deposició a la contraplaca, l'eixamplament del plomall, la distribució de densitat de nombre de gotes, i també en la predicció de l'evaporació de les gotes. En aquest treball s'ha desenvolupat un esquema numèric integral que acobla completament la dinàmica Lagrangiana de les gotes de l'electrospray amb els efectes del flux de gas induït, les explosions de Coulomb, i el transport de vapor de dissolvent, així com de la càrrega que deixen darrera les gotes que s'esvaeixen en els electrospray volàtils. S'han desenvolupat codis diferents per a simular cada fenomen per separat els quals s'han executat seqüencialment i de manera iterativa fins aconseguir la convergència de totes les variables. Aquesta metodologia ha estat aplicada per comparar els efectes d'evaporació en tres sistemes d'electrospray amb dissolvents de diferent volatilitat: acetona, metanol i n-heptà. Les gotes es van injectar en els tres sistemes amb una distribució de diàmetres log-normal unimodal amb un valor mitjà de 8 μm, i un coeficient de variació del 10%. Explosions de Coulomb intenses s'han observat dins l'esprai en forma de bandes diagonals (en el domini 2D). El transport de vapor en aquests sistemes és predominantment per convecció forçada en lloc de pura difusió. La concentració més alta de vapor s'observa prop de la zona d'injecció per a tots els tres sistemes, concentració que decau ràpidament a partir de llavors, tant en sentit radial com axial. En els tres casos, cap o poques gotes arriben a la contraplaca situada 3 cm sota del broquet capil•lar, posant en evidencia la necessitat de tenir en compte l'evaporació en les simulacions d'aquests sistemes. / Los electrosprays están constituidos de microgotas altamente cargadas i en movimiento bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Las gotas se generan como resultado de la ruptura de un chorro de líquido sometido a un campo eléctrico suficientemente fuerte. Las gotas generadas por lo tanto, son transportadas bajo la influencia combinada del gradiente electrostático entre el emisor y contraplaca, la interacción con la carga de las gotas de los alrededores y la fuerza de la resistencia aerodinámica. La mayor parte de las aplicaciones de electrosprays implican la evaporación de gotitas como un aspecto fundamental para lograr el resultado deseado. Cuando un sistema de partículas de aerosol se mueve con una velocidad neta en relación con el gas circundante, las partículas ejercen una fuerza de arrastre sobre el gas que causa que el movimiento del gas. En electrosprays, este movimiento de gas es inducido por las microgotas altamente cargadas bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Mientras que muchos modelos numéricos no han considerado el flujo de gas inducido en las simulaciones numéricas de electrosprays, la evidencia experimental muestra que la velocidad del gas modifica el comportamiento del spray a nivel local. Considerando la incidencia que puede tener en la evaporación de gotitas en electrosprays volátiles, es evidente la necesidad de una metodología general para la simulación de la dinámica de electrosprays que incluyan este aspecto. Adicionalmente, ya que el movimiento del gas también influye en el movimiento de las gotas, la formulación debe considerar que estos movimientos están completamente acoplados (es decir, acoplados en las dos direcciones). Estos modelos más completos deberían ser capaces de dilucidar la influencia del flujo de gas inducida en las variables de importancia práctica, tales como el patrón de flujo de deposición en la contraplaca, el ensanchamiento del penacho, la distribución de densidad de número de gotas, y también en la predicción de la evaporación de las gotas. En este trabajo se ha desarrollado un esquema numérico integral que acopla completamente la dinámica de gotas electrospray de Lagrange con los efectos del flujo de gas inducido, las explosiones de Coulomb, y el transporte de vapor de disolvente, así como de la carga que dejan detrás las gotas que se desvanecen en los electrosprays volátiles. Se han desarrollado códigos diferentes para simular cada fenómeno por separado y se han ejecutado secuencialmente y de manera iterativa hasta conseguir la convergencia de todas las variables. Esta metodología se ha aplicado para comparar los efectos de evaporación en tres sistemas de electrospray con disolventes de diferente volatilidad: acetona, metanol y n-heptano. Las gotas se inyectaron en los tres sistemas con una distribución de diámetros log-normal unimodal con un valor medio de 8 µm, y un coeficiente de variación de 10%. Intensas explosiones de Coulomb se han observado dentro del spray en forma de bandas diagonales (en el dominio 2D). El transporte de vapor en estos sistemas es predominantemente por convección forzada en lugar de pura difusión. La más alta concentración de vapor se observa cerca de la zona de inyección para todos los tres sistemas, concentración que decae rápidamente a partir de entonces, en sentido tanto radial como axial. En los tres casos, pocas o ninguna gota llega a la contraplaca situada 3 cm por debajo de la boquilla capilar, poniendo en evidencia la necesidad de tener en cuenta la evaporación en la simulación de estos sistemas. / Electrosprays are constituted of highly charged micro drops moving under the action of electrostatic forces. They are generated as a result of the breakup of a liquid jet subjected to a sufficiently strong electric field. The droplets hence generated are transported under the combined influence of the electrostatic gradient between the emitter and counterplate, the interaction with the spray charge and the aerodynamic drag force. Most of the electrospray applications involve droplet evaporation as a critical aspect in achieving their desired result. When a collection of aerosol particles move with a net velocity relative to the surrounding gas, it exerts a drag force on the gas which can cause the gas to flow. In electrosprays, this gas motion is induced by the highly charged micro-drops moving under the action of electrostatic forces. While many numerical models have neglected induced gas flow in the numerical simulations of electrosprays, experimental evidence shows that the gas speed can be significant locally. Also considering the importance it can have in droplet evaporation in volatile electrosprays, there is a need for a general methodology to include the induced gas flow caused by the droplets in current numerical models of electrospray dynamics. Furthermore, since the gas motion also influences the droplet motion, a formulation that can accurately describe these motions should be fully coupled (i.e., two-way coupled). Such improved models should be able to elucidate the influence of the induced gas flow on variables of practical importance such as the flux deposition pattern on the counterplate, plume spread, droplet number density distribution, and also in the prediction of droplet evaporation. We developed a comprehensive numerical scheme which fully couples the Lagrangian electrospray droplet dynamics with the effects of induced gasflow, Coulomb explosions, and the transport of solvent vapor as well as charge left over by vanishing droplets in volatile electrospray systems. Separate codes for the diverse phenomena were developed. These codes have been run sequentially and in an iterative way until convergence was attained for all variables. This methodology has been applied to compare the evaporation effects in three electrospray systems with solvents of different volatility: acetone, methanol and n-heptane. The droplets were injected into the three systems with unimodal and log-normal distributed diameters with a mean value of 8 μm, and a coefficient of variation of 10%. Regions of intense Coulomb explosion events in form of diagonal bands (in the 2D domain) within the spray are well captured. We observe that the vapor transport in these systems is predominantly by forced convection rather than diffusion. Highest vapor concentration is observed near the injection zone for all the three systems, which rapidly decays thereafter, both radially as well as axially. In all three cases, few or no droplets arrive at the counterplate located 3 cm down the capillary nozzle, highlighting the relevance of accounting for evaporation when simulating these systems.